Formado pela Escola Superior de Teatro e Cinema do Instituto Politécnico de Lisboa em 1994, estagia na área de produção com os realizadores Wim Wenders, Manoel de Oliveira e Bertrand Tavernier. Durante dois anos é assistente de realização de João Canijo. Entre 1994 e 1998 escreve e realiza as curtas metragens Mergulho no Ano Novo (prémio de Melhor Curta-metragem Nacional no Festival Internacional de Curtas-Metragens de Vila do Conde), No Caminho Para a Escola (prémios Melhor Curta-metragem e Melhor Realizador no VII Festival Ibérico de Cinema de Badajoz e Prémio Eixo Atlântico no Festival de Ourense). Realiza igualmente vários filmes publicitários e, em 2002, funda a sua própria produtora de publicidade, a Ministério dos Filmes, distinguida com vários prémios internacionais. Em 2005, a sua primeira longa-metragem, Alice, estreada no Festival de Cannes desse ano, é o filme português escolhido para candidato ao Óscar de Melhor Filme Estrangeiro. Em 2016 realiza São Jorge, que valeu ao ator principal, Nuno Lopes, fiel colaborador de Marco Martins, o Prémio de Melhor Ator no Festival de Veneza onde o filme estreou mundialmente. No ano a seguir, estreou em Portugal e foi dos filmes mais vistos nas salas portuguesas. Foi também este, o filme escolhido para representar Portugal nos Óscares desse ano. Em 2018, estreia-se como realizador de uma série de televisão com Sara, uma ideia original de Bruno Nogueira e transmitida na RTP2, e venceu o Prémio Sophia e o Prémio SPA para Melhor Série.
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