Nach dem Abitur zog es den Hamburger zunächst für fünf Jahre hinaus in die Welt. Danach folgten Festengagements in Köln und am Hamburger Thalia Theater. Seit 1993 arbeitet Kai Maertens frei. Seine erste Fernsehrolle bekam er 1984 in dem Fernsehspiel „Typisch Schauspieler“ unter der Regie von Wolfgang Staudte. Einem Millionenpublikum wurde er bekannt durch Serien wie Sterne des Südens, Geisterjäger John Sinclair und als Hamburger Unikum Olav Hinzmann in der ZDF-Serie SOKO Wismar. Am Theater ist er als Schauspieler und Regisseur tätig. In den Jahren 2006 und 2007 spielte er in Theater und Komödie am Kurfürstendamm in Berlin in Folke Brabands Inszenierungen Die Grönholm-Methode und Das Sparschwein. Im St. Pauli Theater in Hamburg spielte er 2006 den Münz Matthias in der Dreigroschenoper mit Ulrich Tukur als Mackie Messer und 2008 im Chicagoer Gangsterstück Happy End.
Im Sommer 2013 übernahm Kai Maertens die Regie bei den Störtebeker-Festspielen auf der Insel Rügen.
