Мартин Родбелл в 1943 г. поступил в Университет Джонса Хопкинса, но уже через год прервал учёбу для службы в военном флоте США в качестве радиста. По окончании Второй мировой войны он вернулся в университет и в 1949 г. получил степень бакалавра биологии.

Родбелл получил докторскую степень по биохимии в Университете Вашингтона, Сиэтл, в 1954 г. После двухлетней пост-докторантуры в Университете Иллинойса он работал в Национальном институте здоровья в Бетезде, Мэриленд. С 1985 г. и до своего ухода на пенсию в 1994-м Родбелл занимал пост научного директора Института здоровья и окружающей среды в Чепел-Хилл, Северная Каролина.

Родбелл совместно с Альфредом Гилманом исследовал молекулярные процессы, осуществляющие передачу сигналов (гормональных, медиаторных и др.) между клетками и внутри клеток. Учёные открыли белки-посредники, т. н. G-белки, и выяснили их роль в молекулярных механизмах возникновения ряда инфекционных болезней (холера, коклюш и др.). За эту работу они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1994 г. Кроме того, за свои открытия Родбелл получил Международную премию Фонда Гейрднера (1984) и Премию Ричарда Лонзбери (1987). 

Имя Мартин - английская форма римского имени Martinus, происходящего от имени бога войны Марса. Фамилия Родбелл - уникальная, происхождение неизвестно.