Родился в Нью-Йорке, в семье выходца из местечка Пружаны, ныне города в Брестской области Белоруссии Оскара Перла и Фаи Розенталь. Оскар Перл вырос на манхэттенском Ист-Сайде, Фая Розенталь — в бруклинском Браунсвилле. Кроме Мартина, в семье Оскара и Фаи родился еще один ребенок — Лиля Перл.
Во время Второй мировой войны был морским пехотинцем (1944—1945). В 1948 окончил химический факультет Политехнического института в Бруклине. В 1948—1950 работал в фирме Дженерал электрик. Заинтересовавшись атомной физикой, поступил в колледж на курс физики, потом в Колумбийский университет, где под руководством профессора Раби занялся научной работой в области элементарных частиц. В 1963 Мартин Перл был приглашен работать на строящийся в Стэнфорде линейный ускоритель. Здесь он и его коллеги проектировали и строили установки для подтверждения своих научных гипотез. В течение 1970-х гг. здесь было поставлено большое количество экспериментов, позволивших сделать ряд важнейших открытий. В середине 1970-х гг. Мартин Перл открыл элементарную частицу тау-лептон.
За открытие так называемого третьего поколения элементарных частиц (тау, тау-нейтрино, верхний и нижний кварки) Перл был удостоен премии Вольфа по физике (1982). Впоследствии Перл разделил с физиком Фредериком Райнесом Нобелевскую премию по физике (1995). Ученый работал также над применением оптики и электроники, занимался вопросами защиты окружающей среды, оставался убеждённым противником атомного вооружения.