Figlio di un giornalista ex garibaldino, abbandona le sue ambizioni di diventare capitano di marina fondando nel 1889 a soli 19 anni un settimanale umoristico e satirico scritto anche in lingua siciliana, il D'Artagnan, dove pubblicò tutte le sue poesie, raccolte in seguito per gran parte nella raccolta Centona, che vennero apprezzate da Giosuè Carducci soprattutto per il verismo descrittivo delle bellezze del caratteristico paesaggio dell'isola.
Di lì a poco si dedicò con maggiore attenzione al teatro: nel 1901 creò la Compagnia Drammatica Siciliana, del quale fanno già parte attori come Giovanni Grasso, Virginia Balistrieri, Giacinta Pezzana e Totò Majorana, con l'intento di rendere famoso a livello nazionale il teatro dialettale siciliano: nell'aprile 1903 giunsero ad esibirsi con successo a Milano. Dalla stagione 1907-1908 diventa direttore della formazione capitanata da Angelo Musco, con il quale instaura una proficua collaborazione artistica, sia lanciando autori nuovi (il ventunenne Rosso di San Secondo, con la sua Madre del 1908) sia con molte commedie da lui scritte, tra le quali le più famose sono San Giovanni decollato (1908) e L'aria del continente (1910).
Nel 1910 fondò a Roma la struttura stabile del primo "Teatro Minimo" presso il Teatro Metastasio, curando la regìa di numerosi atti unici del repertorio italiano e straniero, e soprattutto incoraggiando e portando sulla scena le prime opere teatrali di Luigi Pirandello già famoso come novelliere e scrittore (Lumie di Sicilia e La morsa, entrambe del 1913). Insieme a Luigi Pirandello scrisse A Vilanza (La bilancia), e Cappidazzu paga tuttu. Diresse numerose messinscene teatrali; nel dicembre 1918 fondò l'ultima sua compagine teatrale, la Compagnia del Teatro Mediterraneo, attiva fino al 1920.
Dal 1913 e per due anni si dedicò anche al cinema, producendo (per la sua Morgana film di Roma) e dirigendo quattro pellicole, oggi andate tutte perdute: Il Romanzo con Carmine Gallone e Soava Gallone, l'avventuroso capitan Blanco tratto dal suo dramma Il Palio i cui esterni vennero girati in gran parte in Libia, quindi Teresa Raquin tratto dal dramma omonimo di Émile Zola, ma soprattutto quello al quale restò legata la sua notorietà, il celebre Sperduti nel buio, dal dramma di Roberto Bracco, la prima opera realista del cinema nostrano, considerata a posteriori da molta critica come antesignana del neorealismo, che ebbe un remake sonoro nel 1947, diretto da Camillo Mastrocinque, con Vittorio De Sica.
Tutta la sua opera è caratterizzata, oltre che dal verismo e dalla bellezza dei paesaggi, anche da una forte contrapposizione tra ricchezza e povertà: fu il cantore dei lussuosi palazzi aristocratici e dei tuguri, dei caffè di lusso di fine Ottocento e dei vicoli affollati. La sua fama si mantenne pressoché intatta fino alla fine degli anni trenta, con molte sue commedie trasposte anche sul grande schermo, nel frattempo diventato sonoro. Scomparve tragicamente, a 51 anni, precipitando nella tromba dell'ascensore dell'Ospedale Vittorio Emanuele di Catania, dove era andato a visitare il figlio malato. Il fratello minore Giulio Martoglio (Catania, 1882 - 27 novembre 1915) morì a soli 33 anni combattendo sul Carso durante la prima guerra mondiale. Le sue figlie, Vincenza e Angela, curarono un Fondo dove sono conservati tutti i suoi manoscritti.
