Petit-fils du négociant Albert Marteau, adjoint au maire de Reims, et fils de Charles Marteau, propriétaire d'une usine de textile et violoniste amateur, il avait pour mère l'Allemande Clara Louise Dorothée Schwendy, ancienne élève de Clara Schumann. Il donna son premier concert au cirque de Reims en 1884. Charles Gounod, qui fréquentait le salon de ses parents, composa à l'intention du jeune homme l'Offertoire et un interlude de sa Messe à la mémoire de Jeanne d'Arc, créée en 1887 à la cathédrale de Reims.
La Première Guerre mondiale donna lieu à un épisode particulièrement tragique et absurde de la vie de Henri Marteau : il fut accusé par la France d'être un espion allemand et par l'Allemagne d'être un espion français[3]. Il a perdu son poste de professeur qu'il avait à Berlin le et a été placé en résidence surveillée dans sa villa construite en 1913 à Lichtenberg. Il dut s'enfuir en Suède, où il obtint la nationalité en 1915. Il a par la suite enseigné à l'Académie allemande de Prague (1921-1924), au Conservatoire de Leipzig (1926-27) et au Conservatoire de Dresde (1928-1934).
Ce grand virtuose donna des concerts dans toute l'Europe et aux États-Unis. Il composa une quarantaine d'œuvres et a fait l'objet en 2002 d'une biographie en allemand due à Günther Weiss.
Le Concours international de violon Henri-Marteau (Internationaler Violinwettbewerb Henri Marteau) est une compétition de violon dédiée à la mémoire de Marteau. Fondé en 1999, il se déroule tous les trois ans à Lichtenberg (Bavière) et Hof (Bavière), Allemagne. Depuis 1999, il existe également une rue Henri Marteau (Henri-Marteau Straße) à Hof, de même qu'une place Henri Marteau (Henri-Marteau Platz) à Lichtenberg.
Henri Marteau Gedenkjahr 1984 : 110. Geburtstag 31. März 1984, 50. Todestag 4. Oktober 1984, [édité par Günther Weiss], Tutzing, Schneider, 1983. (ISBN3-7952-0407-0)
Katalog der Henri-Marteau-Ausstellung der Bayerischen Staatsbibliothek in München, [édité par Günter Weiss], Tutzing, Schneider, 1984. (ISBN3-7952-0433-X)
Klaus Bangerter, Henri Marteau als Komponist im Spiegel der Kritik : eine Studie zum Begriff der « Einheit » in der Musikkritik um 1900, Tutzing, Schneider, 1991. (ISBN3-7952-0665-0)
Carole Daffini, « Der Fall Marteau », dans Comparativ. Zeitschrift für Globalgeschichte und Vergleichende Gesellschaftsforschung, 1994, vol. 4, n° 3
Dominique Huybrechts, 1914-1918 : musiciens dans les tranchées : compositeurs et instrumentistes face à la Grande Guerre, Bruxelles, Racine, 2014. (ISBN978-2-87386-872-7) [édition revue et complétée de : 1914-1918 : les musiciens dans la tourmente : compositeurs et instrumentistes face à la Grande Guerre, Mont-de-l'Enclus (Belgique), Éd. Scaldis, 1999]
Blanche Marteau, Henri Marteau : Siegeszug einer Geige, Tutzing, Schneider, 1971. (ISBN3-7952-0062-8)
Marc Rigaudière, « Henri Marteau, violoniste et compositeur », dans Cahiers rémois de musicologie, n° 1, , Reims, Presses universitaires de Reim
Günther Weiß, Der große Geiger Marteau (1874-1934) : ein Künstlerschicksal in Europa, Tutzing, Schneider, 2002. (ISBN3-7952-1104-2)
Ulrich Wirz, Henri Marteau : Leben und Vermächtnis, Bayreuth, Bezirk Oberfranken, 2009. (ISBN978-3-941065-32-1)