Nata ad Allegheny City, in Pennsylvania, nel 1894, Martha si trasferisce presto in California, dove inizia a formarsi come danzatrice alla Denishawn School di Los Angeles, diretta da Ruth St. Denis.
Il suo debutto avviene nel 1919 con Xochtil, un assolo creato per lei da Ted Shawn e ispirato alla cultura azteca: sarà l'inizio di una carriera di interprete destinata a durare oltre cinquant'anni, con il ritiro ufficiale dalle scene avvenuto solo nel 1969. Dopo quattro anni passati nelle file dei Denishawn Dancers e un breve periodo al Greenwich Village Follies, la Graham inizia la sua personale ricerca coreografica, incentrata sulle possibili relazioni tra gesto e motivazione psicologica: una serie di assoli, culminanti in Lamentation (1930, su musica di Zoltán Kodály) seguono questa strada, mettendo inoltre in evidenza le influenze della sua prima formazione e le suggestioni dei danzatori tedeschi Harald Kreutzberg e Mary Wigman, ammirati durante le loro prime esibizioni americane.
La portata innovativa delle opere della Graham determina la nascita di un vero e proprio vocabolario coreografico, la cosiddetta "tecnica Graham", che a partire dal 1927 viene insegnata presso Graham School of Contemporary Dance, ma che si trasforma nel tempo in un metodo rivoluzionario appreso in tutto il mondo. La base del metodo è costituita dalla libertà dalle cinque posizioni e dai passi stabiliti del balletto classico, dalle sue scarpette a punta e dai tutù: su questo presupposto si innesta un approccio gestuale fatto di principi semplici e dinamici ("contraction and release", "fall and recovery"), attraverso cui si delinea una danza costruita sull'equilibrio di forze libere ma complementari, in cui sono inoltre banditi musiche e scene ottocentesche per far largo alla modernità.
Le novità introdotte dalla Graham hanno inevitabilmente anche una necessità "politica" e vanno legate all'impegno sociale che la coreografa ha sempre dimostrato di voler perseguire nella sua carriera: basti pensare al femminismo in Heretic (1929, sua prima coreografia di gruppo), Letter to the World (1940, ispirato alla vita della poetessa Emily Dickinson) e Deaths and Entrances (1943), oppure al nazionalismo di Frontier (1935) e Appalachian Spring (1944, su musica di Aaron Copland), fino all'antimilitarismo di Chronicle (1936).
Negli anni quaranta la Martha Graham Dance Company era comunque già una realtà molto lontana dall'iniziale formazione del Dance Group, avendo accolto interpreti maschili e dimostrandosi una delle prime compagnie americane ad ospitare danzatori di colore, oltre a grandissimi artisti come Erik Hawkins (che Martha sposa nel 1948, anno del capolavoro Diversion of Angels) e Merce Cunningham, straordinario interprete di Every Soul is a Circus. Con Dark Meadow, Cave of the Heart, Errand into the Maze e Night Journey, creati tra il 1946 e il 1947, ha ufficialmente inizio il terzo periodo creativo della Graham, quello psicoanalitico, malgrado già con il duetto Herodiade (1944), su musica di Paul Hindemith, l'artista si era inoltrata in un viaggio nei meandri della psiche e dell'inconscio. Su questa stessa strada, e sulle suggestioni ricavate da Freud e Jung, la coreografa americana riscopre quindi il mondo della mitologia classica e degli archetipi tragici e biblici, dando a vita a opere come Clytemnestra (1958), Alcestis (1960), Phaedra (1961), Circe (1963), Judith (1980) e Phaedra's Dream (1983), su musica di George Crumb.
Artista prolifica e indomita, a partire dagli cinquanta Martha Graham viene riconosciuta come esponente di spicco della cultura americana e inizia con la sua compagnia una serie di tournées internazionali che la consacrano come una delle maggiori intelligenze coreografiche del novecento: tra le sue opere più recenti, ricordiamo Mendicants of Evening (1973), Myth of Voyage (1973), Lucifer (1975, i cui ruoli principali sono interpretati da Margot Fonteyn e Rudolf Nureyev), Acts of Light (1981), The Rite of Spring (1984) e il suo testamento, Maple Leaf Rag (1990), su musica di Scott Joplin.
L'anno successivo, in cui peraltro viene data alle stampe la sua autobiografia, Blood Memory, Martha Graham si spegne a New York quasi centenaria, lasciando a perpetrare la sua memoria non solo la compagnia che porta il suo nome, ma le scuole di ballo di tutto il mondo che ancora insegnano il "metodo".