Мартин Чалфи родился в семье гитариста Эли Чалфи (1910—1996) и владелицы галантерейного магазина Вивьен Фридлен (1913—2005), из семей еврейских эмигрантов из Российской империи. Родители отца, Бенджамин и Эстер Чалфи (Халфи), иммигрировали в Цинциннати из Брест-Литовска; дед по материнской линии, Меер Фридлен, родился в Москве.
Среднее образование получил в Чикаго. Окончил Гарвардский университет (1969); там же в 1977 году получил докторскую степень по нейробиологии. В настоящий момент — профессор биологии в Колумбийском университете.
Лаборатория Чалфи использует нематоду C. elegans для исследования различных аспектов развития и функционирования нервных клеток. Мартин Чалфи опубликовал более 200 работ, из которых по крайней мере 16 цитируются свыше 100 раз.