La serie animada reinventa al personaje de un cómic titulado Martin Mystery, quien junto con su hermanastra (el padre de él se casó con la madre de ella) Diana Lombard, son estudiantes de la Academia Torrington, un instituto en Sherbrooke, Quebec. Trabajan para una organización secreta, el Centro, que protege secretamente a la gente de la tierra contra amenazas extraterrestres y sobrenaturales. No todos los que trabajan para la organización son humanos. El pequeño y verde Billy es uno de los mejores amigos de Martín. Java trabaja en la cafetería de la escuela de Diana y Martín y es un hombre de las cavernas de hace 200.000 años. En lo que concierne a el Centro, el conocimiento extenso de Martín, y su intuición sobrenatural, compensan su falta de higiene personal y su ego enorme. Diana resiente estas cualidades ocasionalmente, pues Martín no parece darse cuenta de la seriedad de sus misiones, pero lo quiere como si fuera su hermano verdadero. Como una ironía, Diana y Martin son novios en la versión original de los cómics, y no medios hermanos.

Diana es muy propensa a asustarse en las misiones, y se convierte a menudo en una víctima a la que Martin tiene que rescatar. Juntos forman un equipo investigador excelente, el cual debe enfrentar una serie de horrores y peligros.

En el 2004, el show comenzó transmisiones en las cadenas Jetix y Discovery Kids en inglés; así como por la cadena VRAK en fránces. En mayo de 2005, Nickelodeon empezó a transmitirlo también, quitándolo posteriormente en agosto del mismo año. También formo parte de la programación del Disney Channel.

El show es producido por Marathon (una televisora francesa con sede en París), que también produce Totally spy y Team Galaxy. Como Totally spy, Martin Mistery tiene un estilo evocador del anime japonés, aunque se produce en Europa. Personajes parecidos a Martín y su rival, Marvin, y Diana, han aparecido como cameos dentro de Totally spy en capítulos como "Super agent".