Marten de Vos rechnet zu den wichtigsten Vertretern der Malerei und Grafik des flämischen Manierismus.
Geboren wird Marten de Vos im Jahr 1531 in der Hauptstadt des südniederländischen Manierismus, in Antwerpen. Sein Vater Peter de Vos, auch er ein Maler, dürfte die erste Ausbildung des Knaben übernommen haben. Auch Frans Floris gilt als Lehrmeister von Marten de Vos.
Nach Beendigung der Lehrzeit bereist Marten de Vos um die Mitte der 1550er Jahre Italien. In Florenz, Rom und Venedig lernt er die Werke großer Maler kennen. Besonders beeindruckt zeigt sich der junge Marten de Vos von Jacopo Tintorettos Stil.
1558 ist Marten de Vos zurück in Antwerpen. In der Antwerpener Zunft, der er 1572/73 auch als Dekan vorstehen wird, ist er in diesem Jahr erstmals als Freimeister verzeichnet. In Antwerpen unterhält Marten de Vos bald ein florierendes Atelier, das zahlreiche Altarbilder, aber auch Bildnisse und mythologische Sujets ausführen kann.
In den Malereien, die in den 1560er Jahren in starkem, warm leuchtendem Kolorit aus der Werkstatt des Marten de Vos hervorgehen, zeigt sich deutlich die Nachwirkung des in Venedig kennengelernten Stils. In späteren Arbeiten ist die Palette abgekühlt und aufgehellt, der Pinselstrich geglättet und die Komposition "klassizistisch" beruhigt, wenngleich in der Figurenauffassung kräftige Dramatik weiterwirkt.
Große Bedeutung erlangt Marten de Vos nicht zuletzt in den grafischen Künsten; er konzipiert vielfältige Stichvorlagen zu mannigfachen Themenbereichen. Sein Einfluss auf den flämischen Manierismus und Frühbarock speist sich in nicht geringem Maße auch aus diesem Teilbereich des Oeuvres.
Marten de Vos verstirbt im Jahr 1603 in Antwerpen.