Si laurea nel 1923 in medicina all'Universita di Roma, si specializza frequentando corsi in diverse Università estere (Londra, Francoforte, Parigi e Berlino), in breve tempo gli si spalancano le porte di una brillante quanto straordinaria carriera scientifica.

Dal 1930 al 1933 insegna fisiologia umana negli atenei di Assuncion in Paraguay e di San Paolo in Brasile. Nel 1934 è all'Università di Messina dove assume la cattedra di Chimica biologica e, l'anno successivo, la cattedra di Fisiologia umana. Successivamente è il Preside della Facoltà di Farmacia di Messina e poi Rettore della stessa Università, mantiene  l'incarico sino al 1954 quando diviene Ministro della Pubblica Istruzione e poi Ministro degli Affari Esteri fino al 1957.

Nel 1946 viene eletto nell'Assemblea Costituente nel Collegio della Sicilia Orientale e nel 1948 entra a far parte del primo Parlamento Repubblicano.ed è riconfermato in tutte le successive legislature con un numero sempre crescente di suffragi.

Rimane ad insegnare all'Università di Messina fino al 1957 quando subentra al suo maestro Amantea alla cattedra di Fisiologia umana all'Università di Roma.

Gaetano Martino, con la Conferenza di Messina del giugno 1955 e con i Trattati di Roma del marzo 1957 che recano la sua firma, lega il suo nome in modo indissolubile all'idea, allora in embrione, di una Europa Unita  che partiva giusto dalla "sua" Messina.

Nel 1960 lascia il Ministero degli Esteri e viene messo a capo di una delegazione parlamentare italiana alla XV e alla XVI Assemblea Generale dell'ONU a New York. E' uno dei tre "saggi" della NATO autori del rapporto sui compiti dell'Alleanza atlantica nella sfera civile. Dal 1963 al 1964 è il Presidente del Parlamento Europeo. Nel 1966, con voto plebiscitario, Martino è eletto Rettore dell'Università "La Sapienza" di Roma.

Muore a Roma il 21 luglio 1967.