Formé au Hammarby IF, Martin Samuelsson a joué pour les différentes équipes juniors du club ainsi que celles du Malmö IF et du MODO Hockey. En 2000, il est choisi en première ronde du repêchage d'entrée dans la Ligue nationale de hockey par les Bruins de Boston, second choix de la franchise après celui de son compatriote Lars Jonsson. Il joue les deux saisons suivantes avec l'équipe première du Hammarby IF, alors en Allsvenskan, le second échelon suédois. En 2002, il rejoint les Bruins mais il évolue essentiellement avec leur équipe affiliée, les Bruins de Providence de la Ligue américaine de hockey. Après deux nouvelles saisons passées en LAH, il retourne en Suède où il joue pour le Linköpings HC en Elitserien. En 2007, il intègre l'effectif des Malmö Redhawks pour lesquels il joue une saison avant de mettre un terme à sa carrière.