Estudió en un colegio jesuita y, más tarde, Ingeniería Industrial aunque prefirió dedicarse a lo que le gustaba: el cine. Comenzó como crítico en revistas especializadas como Griffith y Nuestro cine.
En 1969 rodó su primer cortometraje, Aspavientos, y al año siguiente Camino al cielo (1970), cortometraje ganador de la Espiga de Oro en el Festival de Cine de Valladolid; y Amo mi cama rica (1970), comedia cuyo guión fue escrito por Jaime Chavarri. Martínez Lázaro, Chavarri y Francesc Bellmunt codirigieron Pastel de sangre en 1971.
Las palabras de Max (1977), ganadora del Oso de Oro en el Festival de Berlín, es una película cuyo guión fue realizado de manera conjunta por Emilio Martínez Lázaro y Elías Querejeta. En el filme actúan Héctor Alterio y Gracia Querejeta.
En 1979 realiza para televisión, junto con José Luis Cuerda, la serie Escrito en América.
Al año siguiente rueda Sus años dorados (1980) y en 1982 vuelve a la pequeña pantalla con la serie La máscara negra, codirigida por Antonio Giménez–Rico y protagonizada por Sancho Gracia, Álvaro de Luna, Marisa Paredes y Francisco Rabal.
Todo va mal (1984) es una película realizada para la emisión televisiva en la que trabajan Antonio Resines, Cecilia Roth y Enrique San Francisco, entre otros. En esa época alternó trabajos televisivos, guiones para películas y la dirección de sus propios proyectos. En 1985 realizó y produjo una de sus mejores películas, Lulú de noche, con Imanol Arias, Antonio Resines y Amparo Muñoz como intérpretes. Le sigue El juego más divertido (1987).
En 1991 rueda su primera película de éxito, Amo tu cama rica, secuela protagonizada por Ariadna Gil y en la que participa como intérprete el cineasta de origen argentino León Klimovsky. En los años siguientes le siguen Cómo ser mujer y no morir en el intento (1991), Los peores años de nuestra vida (1994), Carreteras secundarias (1997) y La voz de su amo (2001), una película de cine negro, terrorismo y corrupción que no llegó a cuajar.
Su filme El otro lado de la cama (2002), tuvo un gran reconocimiento por parte del público pero sin tanta aceptación por parte de la crítica especializada. Obtuvo el Goya al Mejor Sonido, el Premio al Mejor Guión en Fantasporto (Portugal) y el Premio de la Audiencia al Mejor Largometraje y la Biznaga de Oro para Emilio Martínez Lázaro en el Festival de Málaga. En 2005 estrenó la secuela Los dos lados de la cama, un musical cuyo guión también fue escrito por David Serrano y con los mismos protagonistas: Guillermo Toledo, Ernesto Alterio y Alberto San Juan y como novias Lucía Jiménez y Verónica Sánchez. En 2003, el cineasta madrileño fue galardonado con el Premio Cultura otorgado por la Comunidad de Madrid.
Su largometraje Las trece rosas (2007) cuenta la historia de 13 jóvenes, muchas de ellas menores de edad, que fueron fusiladas ante la tapia del Cementerio de La Almudena de Madrid el 5 de agosto de 1939 por ser militantes de las Juventudes Socialistas y acusadas de un crimen que no cometieron. El filme, basado en el libro Trece rosas rojas, de Carlos Fonseca, está protagonizado por actrices de la talla de Pilar López de Ayala, Maribel Verdú, Verónica Sánchez, Goya Toledo y Marta Etura. Además, está inspirado en una idea del coproductor Pedro Costa. La cinta ha recibido los premios Goya a la Mejor Dirección de Fotografía, a la Mejor Música Original y al Mejor Diseño de Vestuario.