Geboren 1937 in Kiel, Studium der Soziologie in Frankfurt am Main. Anschließend Redaktuer, Dramaturg und Produzent beim Westdeutschen Rundfunk und bei der Bavaria. In dieser Zeit war verantwortlich für eine Reihe preisgekrönter Produktionen u.a. "Millionenspiel" (1970), "Ein Herz und eine Seele" (Menge), "Berlin Alexanderplatz" (Fassbinder).
Berühmt geworden ist er als Autor. Zusammen mit seiner Mitarbeiterin Pea Fröhlich schrieb er als engster Mitarbeiter von Fassbinder die Drehbücher "Die Ehe der Maria Braun" (1979), "Lola" (1981), "Die Sehnsucht der Veronika Voss" (1982). Es folgten weitere Drehbücher (zuletzt den von Dieter Pfaff gespielten Psychothearpeuthen Dr. Bloch). Einige der Stoffe verarbeitete er zu Theaterstücken und Hörspielen. Erst spät reüssierte Märthesheimer als Buchautor: "bester Debütroman 2001" mit "Ich bin die Andere".
Märthesheimer war in den letzten Jahren als Professor für Drehbuch an der Filmakademie Baden-Württenberg, Berater für Dramaturgie an der Hochschule für Film und Fernsehen in München und dem BKM tätig. Zahlreiche Auszeichnungen, darunter zweimal der Adolf-Grimme-Preis, der Prix Futura und die Goldene Kamera.
Er verstarb 2004 im Alter von 67 Jahren.