Martersteig begann seine Schauspielausbildung bei Otto Devrient. Sein Bühnendebüt gab er 1873 als „Karl VII.“ in Die Jungfrau von Orléans. Danach folgten Engagements in Rostock, Frankfurt an der Oder (1875–1876), Weimar (1876–1879), Mainz (1879–1880), Aachen (1880–1881) und Kassel (1882–1885). 1885 wurde er Oberregisseur und artistischer Leiter des Theaters in Mannheim. 1890 verließ er Mannheim und ging nach Riga, wo er bis 1896 Theaterdirektor war. 1905 war er in Köln und anschließend bis 1918 in Leipzig Leiter des Theaters.
Er betätigte sich auch als Dramatiker und Theaterhistoriker. 1904 kam sein Werk Das deutsche Theater im 19. Jahrhundert heraus, das als grundlegend gilt.
Max Martersteig war mit der Schauspielerin Gertrud Eysoldt verheiratet, ihr gemeinsamer Sohn war der Dirigent und Komponist Leo Eysoldt.
Seine Grabstätte befindet sich auf dem Kölner Melaten-Friedhof (Flur 20 in E). Die kaum lesbare Grabplatte weist die Darstellung eines Todesgenius auf und trägt eine widmende Inschrift.[1]