Martine CLEMENCEAU est née de parents bretons vivants en banlieue parisienne.
En 1967, remarquée par Jean-Marie Houdoux, Gérard KLEIN, alors âgée de 18 ans, elle signe un contrat de Pathé, dirigé par Claude Pascal qui sera son compositeur, puis signe avec Eddy BARCLAY qui l’embauche pendant 7 ans.
Martine CLEMENCEAU fait ses débuts dans la chanson avec Michel SARDOU. En 1971, elle gagne le Festival Yamaha Music avec la chanson Un Jour l’Amour. Le 7 avril 1973, elle représente la France au Concours Eurovision de la chanson à Luxembourg avec la chanson Sans toi. Elle obtient la 15e place sur 17 avec 65 points, ex-aequo avec le chanteur représentant la Yougoslavie, dont la chanson est interprétée en serbo-croate.
Dans sa carrière, Martine CLEMENCEAU a, entre autres, interprété en 1974 avec Leny ESCUDERO le titre Le Voyage et en 1977 avec Claude FRANÇOIS le titre Quelquefois. A partir de 1979, elle compose ses chansons, chose qui marque un tournant par rapport à sa carrière d’interprète. Durant les années 1990, elle a écrit principalement des chansons pour Herbert Léonard.
En 2001, Martine CLEMENCEAU crée son propre studio d’enregistrement avec François Castelot un ingénieur du son. Elle est devenue coaching vocal.