Martin Rodbell ble født i Baltimore i 1925. Etter videregående utdanning i barndomsbyen begynte han på Johns Hopkins University i 1943. Her studerte han biologi og fransk eksistensiell litteratur. Kun ett år inn i studietiden ble han avbrutt av den pågående andre verdenskrig der han gikk inn i det amerikanske militæret i sjøforsvaret som radiooperatør. Etter krigen gikk han raskt tilbake til studiene ved Hopkins og han fikk en bachelor i biologi i 1949. Året etter, i 1950 giftet han seg med Barbara Ledermann, en tidligere venn av Anne Frank. Med Ledermann fikk Rodbell fire barn. I 1954, som 29-åring ble han uteksaminert med en doktorgrad i biokjemi ved universitetet i Washington. Mellom 1954 og 1956 jobbet han med en avhandling ved universitetet i Illinois og i 1956 godtok Rodbell en stilling som forsker innen biokjemi ved National Heart Institute (en del av National Institutes of Health i Maryland). Her jobbet han som forsker inntil 1985 da han ble forskningsleder for hele instituttets forskningssenter i Nord-Carolina. Her var han sjef for flere prosjekter innen ulike fagfelt helt til han gikk ut i permisjon i 1994.