Мартин Хельмхен родился в 1982 году в Берлине. Обучался у Галины Иванцовой в берлинской Высшей школе музыки имени Ханса Айслера, затем у Арье Варди в Высшей школе музыки и театра в Ганновере, совершенствовался у Уильяма Гранта Наборе и Альфреда Бренделя. Победитель Международного конкурса имени Клары Хаскил в Веве (Швейцария, 2001) и международного конкурса Kissinger Klavierolymp в рамках фестиваля «Киссингенское лето» в Бад-Киссингене (Германия, 2003). В 2006 году после триумфального дебюта с Венским филармоническим оркестром под управлением Валерия Гергиева на Люцернском фестивале (Фортепианный концерт Шумана) был удостоен премии Credit Suisse Young Artist Award. В том же году получил премию ECHO Klassik за альбом камерной музыки Мендельсона, Франка и Бриттена, записанный для Sony Classical с виолончелистом Данжуло Ишизакой.
Мартин Хельмхен выступает в крупнейших залах мира с известными коллективами, в числе которых Лондонский, Нью-Йоркский, Берлинский филармонические оркестры, Бирмингемский, Бостонский, Венский симфонические, оркестры лейпцигского Гевандхауса, цюрихского Тонхалле, Филармонический оркестр Осло, Королевский филармонический оркестр Стокгольма, Датский национальный симфонический оркестр. В числе дирижеров, с которыми сотрудничал музыкант, – Герберт Блумстедт, Марк Альбрехт, Кристоф фон Донаньи, Эдвард Гарднер, Валерий Гергиев, Владимир Юровский, Марк Элдер, Филипп Херревеге, Манфред Хонек, Якуб Груша, Пааво Ярви, Эммануэль Кривин, Кристоф Поппен, Клаус Мякеля, Михаэль Зандерлинг, Юн Стургордс, Давид Афкам, Дэвид Цинман.
С камерными программами музыкант регулярно выступает в лондонском Уигмор-холле и на фестивале «Шубертиада» в Австрии. В числе его партнеров по ансамблю – скрипачи Кристиан Тецлафф, Вероника Эберле, Антье Вайтхаас, Каролин Видман, Франк Петер Циммерман, виолончелистка Мари-Элизабет Хеккер. Как опытный концертмейстер Хельмхен сотрудничал с певцами Маттиасом Гёрне, Юлианом Прегардьеном, Юлианой Банзе. Новый сезон Мартин Хельмхен начал со скрипачом Франком Петером Циммерманом бетховенской программой, приуроченной к 250-летию со дня рождения венского классика. Сонаты Бетховена в исполнении дуэта будут звучать и на фестивале в Бад-Киссингене в июле 2020 года.
В числе наиболее значительных событий сезона 2019/20 – выступление Мартина Хельмхена на Люцернском фестивале с симфоническим оркестром форума; открытие сезона в лейпцигском Гевандхаусе с Симфоническим оркестром Гевандхауса под управлением Андриса Нелсонса; концерты с лондонским оркестром «Филармония», Национальным оркестром Франции, оркестром Дрезденской филармонии, Чикагским симфоническим оркестром, дебют с Национальным симфоническим оркестром Польского радио под управлением Леонарда Слаткина. Хельмхен продолжает также сотрудничество с Немецким симфоническим оркестром Берлина, коллективами Франкфуртского радио и Билефельда, с которыми планирует исполнить все фортепианные концерты Бартока в течение двух сезонов (проект приурочен к 140-летию со дня рождения композитора).
Мартин Хельмхен – эксклюзивный артист фирмы звукозаписи Alpha Classics. В 2019 году он записал цикл «Двадцать взглядов на младенца Иисуса» Мессиана и концерты Бетховена №№ 2 и 5 с Немецким симфоническим оркестром Берлина под управлением Эндрю Манце. В дискографии пианиста также «Вариации на тему Диабелли» Бетховена, камерная музыка Шуберта и Брамса (в ансамбле с Мари-Элизабет Хеккер и Антье Вайтхаас). Ранее он записал несколько дисков на фирме PentaTone Classics, в том числе концерты Моцарта, Шумана, Мендельсона, Дворжака, Шостаковича, камерную музыку Шуберта (в частности, все сочинения для скрипки и фортепиано с Джулией Фишер), Шумана и Брамса. Сольный альбом с произведениями Шуберта был удостоен премии ECHO Klassik (2009).
С 2010 года Мартин Хельмхен преподает камерную музыку в Кронбергской академии.