On a également pu le retrouver en tant que second rôle dans The Time Element, l'épisode de la série Westinghouse desilu playhouse dans lequel il joua un psychiatre. Faisant sa deuxième apparition dans la série, il joua ensuite dans La Quatrième Dimension, puis dans La Cinquième Dimension. Il obtiendra un Oscar pour Des clowns par milliers de Fred Coe en 1965.
Martin Balsam fut marié une première fois à Pearl Somner qu'il épousa en 1952. Ils divorcèrent en 1954. Il épousa ensuite Joyce Van Patten en 1959 et eut d'elle une fille, Talia Balsam (première épouse de George Clooney). Le couple divorce en 1962. Un an plus tard, Balsam épouse Irene Miller et a une autre fille, Zoé et un fils, Adam.