Чалфи принадлежит к третьему поколению иммигрантов из Российской империи. Окончил среднюю школу в Чикаго, затем Гарвардский университет (1969). Там же в 1977г. получил докторскую степень по нейробиологии. С 1982г. - профессор Колумбийского университета. Работает в области клеточной дифференциации, изучает развитие функции нервных клеток круглых червей (нематод).
   Чалфи разработал новые экспериментальные методы этих исследований. Он был первым, кто доказал возможность использования зеленого свечения протеина GFP в качестве светового маркёра для исследований различных биологических явлений. В 1996г. Чалфи создал голубой мутант зеленого белка, которым окрасили нематоду.
      Мартин Чалфи опубликовал более 200 научных работ, он член Национальной академии наук США (с 2004г.). В 2006г. ему была присуждена премия Розенталя за выдающиеся достижения в области медицины. А в 2008г. Чалфи стал лауреатом Нобелевской премии по химии (вместе с Осамой Симомура и Роджером Цянем) "за открытие и развитие использования зелёного флуоресцентного белка (GFP)".