В 1960 году окончил Католический университет Левена. Получил докторскую степень в области права, степень нотариальных исследований, а также степень бакалавра по томистской философии. В 1968 году изучал международную политологию в Гарвардском университете.
В 1976 году Мартенс стал одним из основателей Европейской народной партии. Сейчас ЕНП - одна из крупнейших партий Европы, представленная во всех политических институтах Европейского Союза, а также в Совете Европы. Партия включает в себя 73 коллективных члена, национальные партии из 39 стран.
1974-1991 гг. - депутат бельгийской Палаты депутатов (федерального парламента).
Был премьер-министром Бельгии с 3 апреля 1979 по 6 апреля 1981, и с 17 декабря 1981 по 7 марта 1992. Формировал правительство девять раз.
1991-1994 гг. - член бельгийского Сената.
С 1992 года - президент Европейской народной партии. В настоящее время это крупнейшая транснациональная европейская политическая партия с 75-ю партиями-членами из 40 стран.
1994-1998 гг. - член Европейского парламента, председатель группы ЕНП.
10 октября 2013 года 77-летний Вильфрид Мартенс скончался. За несколько дней до этого Мартенс временно сложил с себя полномочия председателя Европейской народной партии /ЕНП/ из-за ухудшившегося состояния здоровья.
В Украине известен благодаря заявлениям в защиту экс-премьера Юлии Тимошенко (ее партия Батькивщина с 2008 года - член наблюдательного совета ЕНП).