Hlavní oblast zájmu Martina Zlatohlávka tvoří především umění novověku s výrazným zaměřením na kresbu a malbu italské provenience. Své znalosti i výsledky badatelské činnosti předává nejen studentům, ale zároveň také široké veřejnosti prostřednictvím vlastní galerie.
Narodil se 25. dubna roku 1954 ve Velimi. V mládí navštěvoval gymnázium v Kolíně, kde roku 1974 také maturoval. Ještě téhož roku nastoupil na Komenského evangelickou bohosloveckou fakultu v Praze, odkud byl ale zanedlouho poté z politických důvodů vyloučen: důvodem byl podpis studentské petice z 28. února roku 1974, které se Martin Zlatohlávek účastnil spolu s dvaadvaceti dalšími studenty a od jejíchž myšlenek se ani po nátlaku komise nedistancoval. V roce 1979 nastoupil na pozici správce depozitáře Grafické sbírky v Národní galerii v Praze, čímž zahájil dlouholetou kariéru v této instituci. Na zmíněné pozici setrval do roku 1985, kdy přestoupil do depozitáře Sbírky staré kresby, kde také zastával funkci správce, a to po dalších sedm let. Osobní znalost materiálů z obou depozitářů je pak bohatě reflektována v celé jeho badatelské činnosti.
Během vzdělávání na obou univerzitách přispíval svými články do odborných časopisů či Bulletinu NG a zároveň kontinuálně pokračoval v práci v Národní galerii…
Zájem o umění a touha po dalším vzdělání přivedly Martina Zlatohlávka na FF UK v Praze, kam nastoupil v roce 1988 a měl tedy možnost zažít proměny katedry dějin umění a estetiky po roce 1989. Roku 1992 ukončil na již samostatné katedře dějin umění magisterské studium, a to diplomovou prací Kresby Taddea a Federica Zuccariů v Národní galerii v Praze. Souběžně od roku 1990 také studoval na Faculteit der Godgeleerdheit, Universiteit van Amsterdam v Nizozemí, kde mu byli učiteli například K. Deurloo či B. Pranger. Zde absolvoval roku 1995 diplomovou prací s názvem The Bride in the Enclosed garden.
Během vzdělávání na obou univerzitách přispíval svými články do odborných časopisů či Bulletinu NG a zároveň kontinuálně pokračoval v práci v Národní galerii, kde zaznamenal další kariérní postup. V letech 1992–1993 se tak stal vedoucím oddělení Sbírky staré kresby, 1993–1994 vedoucím Sbírky starého umění a v roce 1994 ředitelem Grafické sbírky Národní galerie. Vrcholem jeho působení v této instituci bylo přijetí funkce ředitele Národní galerie, kterou zastával v letech 1994–1998.
Rok po svém nástupu na tuto pozici, na popud ambasadora Izraele v rámci festivalu Starý zákon v umění, uspořádal výstavu s názvem a motivem úzce spojeným s jeho studiem v Nizozemí. K expozici Nevěsta v uzavřené zahradě, motivy ikonografie biblické knihy Píseň písní byl současně vydán také stejnojmenný katalog, a to za přispění například M. Bartlové, J. Fajta, H. J. Hlaváčkové či J. Royta. Ještě téhož roku lze evidovat jeho další kurátorský počin, a to v rámci výstavy Kresby z Cremony 1500–1580. Umění renesance a manýrismu v lombardském městě, jež byla také pořádána Národní galerií v Praze. Na této výstavě Martin Zlatohlávek spolupracoval s italským badatelem Giuliem Borou a v jejich spolupráci vznikl k výstavě i stejnojmenný katalog.
Stejná expozice byla posléze představena rovněž v Itálii. Téma cremonské kresby a zkušenosti nasbírané oběma výstavami Zlatohlávek zúročil roku 1999 ve své doktorské dizertační práci na FF UK, která nesla název Prolegomena ke studiu kresby v Cremoně — 1494–1525. Na své kurátorské úspěchy navázal hned v následujícím roce výstavou Italské renesanční umění z českých sbírek, kresby a grafika, která se opět konala v Národní galerii v Praze a byla doprovozena obsáhlým katalogem.
Fascinace starou italskou kresbou, jejíž materiál se nachází hlavně na našem území, je patrná v jeho dalších významných textech.
Kromě výstavní činnosti přispíval svými texty, převážně zaměřenými na kresby italských umělců období renesance a baroka, do mnohých katalogů, odborných časopisů či výročních sborníků. Jako jeden z příkladů může být jmenován text o kresbách Battisty Franca umístěných v českých sbírkách, jenž byl zveřejněn ve sborníku vydaném k 70. narozeninám prof. Pavla Preisse, se kterým se Martin Zlatohlávek dostal do užšího kontaktu již v roce 1985 na půdě Národní galerie v Praze, kde vznikla Sbírka staré kresby. Právě Preiss byl jejím vedoucím a Martin Zlatohlávek sem byl přeřazen jakožto kurátor italských kreseb a správce depozitáře. Spolupráce a dialog s tímto doyenem českých dějin umění byly důležitým předpokladem pro Zlatohlávkův další odborný růst, jehož výsledkem byla mimo jiné monografie barokního umělce a vynikajícího kreslíře Antona Kerna z roku 2009. Spisem o Kernovi se roku 2009 také habilitoval na Ústavu pro dějiny umění FF UK.
Fascinace starou italskou kresbou, jejíž materiál se nachází hlavně na našem území, je patrná v jeho dalších významných textech. Ze spolupráce se Z. Kazlepkou vzešla například dvoudílná publikace věnující se kresbám italských starých mistrů umístěných v českých a moravských sbírkách nebo s dalším kolektivem autorů pak spis pojednávající o kresbách ze sbírky v Kroměříži. Důraz na znalecký přístup, důkladná znalost fyzického materiálu a vzájemná komparace motivů i způsobu provedení díla, to vše může být považováno za základní východiska způsobu Zlatohlávkovy práce, díky čemuž pak také upřesnil, pozměnil či stanovil atribuce mnoha děl.
Vedle publikačních a badatelských aktivit nastoupil v devadesátých letech Martin Zlatohlávek také dráhu pedagogickou. Ta začala roku 1995, kdy působil jako odborný pracovník na Katedře církevních dějin Evangelické teologické fakulty UK v Praze, kde od roku 2004 vedl semináře věnující se kapitolám z dějin umění a biblické ikonografii. V roce 2006 tuto funkci opustil a stal se přednášejícím na dvou ústavech dějin umění UK: na Ústavu dějin křesťanského umění KTF UK se ujal nejen výuky, ale v letech 2007–2018 také místa proděkana pro vědu a na Ústavu pro dějiny umění FF UK působil do roku 2009 jako odborný asistent a v letech 2009‒2019 jako docent.
Jedním z hlavních rysů jeho přednáškové činnosti je reflektování vlastní galerijní praxe, jejíž počátky lze umístit do let 1999–2001, kdy byl odborným poradcem v Galerii Jiří Švestka v Praze. Následně působil jako odborný poradce Vernon Fine Art (2001–2003), než si v roce 2004 otevřel vlastní Galerii Zlatohlávek. Právě úzké spojení galerijního působení, znalosti fyzického materiálu a teoretických myšlenek je základní premisou veškeré pedagogické činnosti Martina Zlatohlávka. Ústředním motivem jeho přednášek na FF UK bylo především umění renesance a manýrismu, přičemž přednáška sama byla zaměřena buď na obecnější rovinu daného období (například renesanční umění v Itálii), nebo se věnovala podrobnějšímu vhledu do konkrétní geografické oblasti (umění v Bologni, v Mantově aj.).
Pomyslným svorníkem seminářů byl akcent na znalecký přístup k uměleckým dílům, podpořený pravidelnými exkurzemi za konkrétními uměleckými díly…
Na Ústavu pro dějiny umění FF UK byla jeho výuka spojena zejména s vedením Semináře umění renesance. Každoročně obměňované hlavní téma bylo spojeno s odlišnými požadavky na výstupní práci, která vždy vyžadovala přesah do širších oblastí zájmu historika umění a tím vedla posluchače k originálnímu způsobu uvažování nad danou problematikou. Pomyslným svorníkem seminářů byl akcent na znalecký přístup k uměleckým dílům, podpořený pravidelnými exkurzemi za konkrétními uměleckými díly, který vedl účastníky k úzkému propojení znalecké praxe s teoretickým uvažováním. Jeden z nejvýraznějších ročníků semináře měl v rámci zadání projekt fiktivní stálé expozice, kterou měli studenti, rozdělení do dvou skupin, komplexně zhotovit. Úkolem bylo učinit výběr vystavených děl, za pomocí počítačových programů vytvořit jejich přesné rozmístění a architekturu celé expozice, zhotovit náhledy propagačních materiálů, a nakonec také sepsat několik katalogových hesel spolu s tiskovou zprávou shrnující veškeré podstatné informace. Zde tedy nejmarkantnější mezioborový přesah umožnil návštěvníkům semináře nahlédnout do nových oblastí spojených s uměleckými díly a jejich prezentací a díky tomuto neobvyklému projektovému zadání tak lépe pochopit toto fungování v praxi.
Význam Martina Zlatohlávka byl reflektován sborníkem příspěvků mezinárodní konference Cultural transfer: Umělecká výměna mezi Itálií a střední Evropou, jež mu byla věnována k životnímu jubileu.