Avocat au barreau de Gand, il adhère, en 1952, au parti social-chrétien flamand (C.V.P.). Président du C.V.P. (1972-1979), député de Gand (1974-1991), Wilfried Martens, qui est soucieux d'intégrer une Flandre autonome et dynamique dans de nouvelles structures de la Belgique, est l'un des principaux partisans du pacte d'Egmont. Premier ministre le 2 avril 1979, il doit démissionner en mars 1981. Après les élections anticipées de novembre, il redevient Premier ministre et forme un gouvernement composé de sociaux-chrétiens et de libéraux qui obtient les pouvoirs spéciaux pour faire face à la crise économique. Reconduit dans ses fonctions en octobre 1985, il démissionne en 1987 à la suite de l'échec de son parti aux élections législatives anticipées du 13 décembre. Après cinq mois de crise politique, Martens accepte de reprendre ses fonctions et constitue en mai 1988 un gouvernement de centre gauche. Il démissionne en octobre 1991 et expédie les affaires courantes jusqu'en mars 1992.
Cofondateur en 1976 et président (depuis 1990) du parti populaire européen, il est député au Parlement européen (1994-2004).