Die Karriere von Martin Wimmer begann 1976 bei nationalen Berg- und Rundstreckenrennen. 1978 gewann er den neuen Yamaha-Cup auf der Yamaha-XS-400. 1979 nahm Wimmer am OMK-Pokal teil und wurde Vizepokalsieger. Mit Unterstützung des deutschen Yamaha-Importeurs Mitsui startete der Bayer dann in der deutschen Meisterschaft. In der Deutschen Motorradmeisterschaft wurde er 1980 auf Anhieb Vizemeister in der 250-ccm-Kategorie und DM-Vierter in der Klasse bis 350 ccm. Beim WM-Finale am 24. August 1980 gab Wimmer auf der legendären Nordschleife des Nürburgrings sein Grand-Prix-Debüt und holte mit dem neunten Platz in der 250-ccm-Klasse seine ersten zwei WM-Punkte. 1981 errang Wimmer den DM-Titel in der 250-ccm- sowie in der 350-ccm-Klasse und belegte den achten Gesamtrang in der 250-ccm-WM. Sein bestes Saisonergebnis war der vierte Platz beim Grand Prix von Italien in Monza. Martin Wimmer war viermal Deutscher Meister, dreimal in der 250 ccm- (1981, 1984 und 1985) und einmal in der 350 ccm-Klasse (1981). Seinen ersten von drei Grand Prix-Siegen (alle auf Yamaha in der 250-ccm-Klasse) errang Martin Wimmer am 1. August 1982 beim Britischen GP in Silverstone. Von der Pole-Position aus ging Wimmer ins Rennen, lieferte sich ein spannendes Duell mit Toni Mang (Kawasaki) und siegte mit 1,09 Sekunden Vorsprung. Der zweite Erfolg gelang ihm zum Heim-Grand-Prix 1985 auf dem Hockenheimring. Auf regennasser Piste besiegte Wimmer den späteren Weltmeister Freddie Spencer (USA/Honda) um 11,03 Sekunden, Dritter wurde Toni Mang (Honda). Seinen letzten GP-Sieg feierte Wimmer am 26. April 1987 auf der andalusischen Rennstrecke in Jerez de la Frontera/Spanien. Dort besiegte er seinen Marlboro-Yamaha-Teamkollegen Luca Cadalora (Italien) um 1,68 Sekunden. Zusammen mit dem Australier Kevin Magee gewann Martin Wimmer auf Yamaha 1987 das legendäre 8-Stunden-Rennen in Suzuka/Japan. Danach ging Wimmer in der 250er-WM für Aprilia an den Start, in der Saison 1990 gelangen ihm die letzten Podiumsplätze, als er auf dem Salzburgring/Österreich Zweiter sowie Dritter in Rijeka/Jugoslawien wurde. In seiner letzten Grand Prix-Saison 1991 wurde er auf Suzuki WM-Neunter in der 250-ccm- Klasse. Martin Wimmer wechselte dann in den Automobilsport und nahm an der Opel-Lotus Serie teil. Zusätzlich ging er für Suzuki als Gaststarter bei ein paar Rennen zur Pro Superbike-Serie an den Start. Danach wechselte er zum ADAC, wo er für den ADAC-Junior Cup und den Motorrad-GP zuständig war. Im März 2009 kaufte Wimmer mit seiner damaligen Frau Martina Haeger sowie Ralf Waldmann den Motorradhersteller MZ und betrieb ein Moto2-Team und 2012 auch in der Moto3-WM. Im September 2012 meldete Wimmer dann für die Motorenwerke Zschopau Insolvenz an.