Martin Panteleev, geboren in eine Musikerfamilie, erhielt im Alter von vier Jahren seinen ersten Geigenunterricht. Seine musikalische Ausbildung begann er an der nationalen Musikschule „Lyubomir Pipkov“ in Sofia, wo er bis 1995 studierte. Anschließend setzte er sein Studium an der staatlichen Hochschule für Musik in Sofia in der Violinklasse von Prof. Jossif Radionoff fort. Gleichzeitig studierte er Dirigieren und Komposition bei Prof. Vassil Kasandzhiev.

Im Jahr 1999 wurde Martin Panteleev Erster Gastdirigent und Solist der von Leonard Bernstein und Justus Frantz gegründeten Philharmonie der Nationen. Mit diesem Orchester trat er bis Jahr 2003 in über 1.000 Konzerten in Europa, Asien und den USA auf. Nach seinem Debüt mit dem Sofia Philharmonic Orchestra im Jahr 2004 wurde er ständiger Gastdirigent und war von 2011 bis 2017 Chefdirigent des Orchesters.

Im Laufe seiner Karriere arbeitete Martin Panteleev mit mehr als 30 internationalen Orchestern, darunter das Royal Philharmonic Orchestra, das English Chamber Orchestra, das Concertgebouw Chamber Orchestra, die Berliner Symphoniker, das Johannesburg Philharmonic Orchestra, die Slowenische Nationaloper, das Rumänische National Rundfunkorchester, das Shenzhen Symphony Orchestra, das Royal Bangkok Symphony Orchestra, das Symphony Nova Scotia, das Orquesta Philharmonica de Jalisco in Mexiko, Orquesta Sinfonica de Buenos Aires und weitere.