Hartmannova kariéra trvá již více než 40 let, od práce na počátku 60. let s Gerardem Kuiperem na Mare Orientale, přes práci na projektu mapování Marsu Mariner 9 až po současnou práci v týmu pro snímkování Mars Global Surveyor. V současné době působí jako vedoucí vědecký pracovník v Planetary Science Institute.

Dlouhodobě patří k předním americkým vesmírným umělcům (silně ovlivněn Chesley Bonestellem) a napsal a ilustroval řadu knih o historii Země a Sluneční soustavy, často ve spolupráci s výtvarníkem Ronem Millerem.

Hartmann je členem Mezinárodní asociace astronomických umělců. Jeho písemná tvorba zahrnuje také učebnice, krátkou beletrii a romány, z nichž poslední vyšel v roce 2003. V roce 1997 se stal prvním držitelem medaile Carla Sagana za vynikající výsledky v oblasti veřejné komunikace v planetárních vědách, kterou uděluje Divize planetárních věd Americké astronomické společnosti.

Hartmann byl v letech 1966-1968 členem projektu UFO Coloradské univerzity (neformálně známého jako Condonův výbor), kontroverzní veřejné studie UFO sponzorované americkým letectvem. Zkoumal především fotografické důkazy a většinu z nich odmítl jako nespolehlivé nebo neprůkazné; ve svých studiích zveřejněných v závěrečné zprávě výboru dospěl k závěru, že dva případy – Great Falls (pohybové snímky dvou jasných světelných zdrojů obtížně slučitelných se známými letadly) a McMinnville (dvě fotografie talířovitého plavidla) – jsou nevysvětlitelné a obzvláště pozoruhodné jako průkazné důkazy skutečnosti UFO.

Asteroid 3341 Hartmann je pojmenován po něm.