Martha Plimpton wurde am 16. November 1970 in New York City als Tochter der Schauspieler Keith Carradine und Shelley Plimpton geboren. Sie ist sowohl als Schauspielerin als auch als Sängerin, ehemaliges Model und Theaterschauspielerin. Schon als Kind besuchte sie verschiedene Schauspielkurse und erhielt erstmals in „Das Rollover-Komplott“ (1981) eine erste kleine Rolle sowie in einer Reihe Calvin Klein-Werbespots. Ihre erste größere Rolle hatte sie in „Nur der Tod ist umsonst“ (1984), in dem erfolgreichen Kinder-Abenteuerfilm „Die Goonies“ (1985), in „Mosquito Coast“ (1986) und in „Flucht ins Ungewisse“ (1987). Mehrmals wurde sie bei den Young Artist Awards nominiert, konnte aber nie einen Preis gewinnen. Ende der 90er Jahre stand sie dann vermehrt für Theaterstücke auf der Bühne und spielte hauptsächlich in TV-Produktionen und –serien wie „Emergency Room“ und „Criminal Intent“ mit. Eine Emmy-Nominierung erhielt sie 2002 für ihre Rolle in „Law & Order: New York“. 2004 wurde sie für ihre Auftritte am Broadway mehrmals für den Tony Award nominiert, aber auch hier blieb es nur bei Nominierungen. Seit 2010 spielt sie in der Serie „Raising Hope“ eine der Hauptrollen und erhielt dafür 2011 eine Emmy-Nominierung als Beste Hauptdarstellerin in einer Comedy-Serie.