Hartmanns Karriere erstreckt sich über mehr als 40 Jahre, von der Arbeit in den frühen 1960er Jahren mit Gerard Kuiper auf dem Mare Orientale, über die Arbeit am Mariner 9 Mars-Kartierungsprojekt bis hin zur aktuellen Arbeit im Mars Global Surveyor Imaging Team. Derzeit ist er leitender Wissenschaftler am Planetary Science Institute.

Seit langem ist er einer der führenden amerikanischen Weltraumkünstler (stark beeinflusst von Chesley Bonestell) und hat zahlreiche Bücher über die Geschichte der Erde und des Sonnensystems geschrieben und illustriert, oft in Zusammenarbeit mit dem Künstler Ron Miller.

Hartmann ist Fellow der International Association of Astronomical Artists. Sein schriftstellerisches Werk umfasst auch Lehrbücher, Kurzgeschichten und Romane, von denen der letzte 2003 veröffentlicht wurde. 1997 war er der erste Empfänger der Carl Sagan Medal for Excellence in Public Communication in Planetary Science der American Astronomical Society, Division for Planetary Sciences.

Hartmann war Mitglied des UFO-Projekts der University of Colorado von 1966 bis 1968 (informell bekannt als Condon Committee), einer umstrittenen öffentlichen Studie über UFOs, die von der U.S. Air Force gefördert wurde. Er untersuchte in erster Linie fotografische Beweise und verwarf die meisten als unzuverlässig oder nicht schlüssig; in seinen Studien, die im Abschlussbericht des Komitees veröffentlicht wurden, kam er zu dem Schluss, dass zwei Fälle – Great Falls (bewegte Bilder von zwei hellen Lichtquellen, die nur schwer mit bekannten Flugzeugen in Einklang zu bringen waren) und McMinnville (zwei Fotos eines untertassenförmigen Raumschiffs) – unerklärt und als Beweis für die Realität von UFOs besonders bemerkenswert waren.

Asteroid 3341 Hartmann ist nach ihm benannt.