La carrera de Hartmann abarca más de 40 años, desde su trabajo a principios de la década de 1960 con Gerard Kuiper en Mare Orientale, y su trabajo en el proyecto de cartografía de Marte de la Mariner 9, hasta su trabajo actual en el equipo de imágenes de la Mars Global Surveyor. En la actualidad es científico senior en el Instituto de Ciencias Planetarias.

Desde hace tiempo es uno de los principales artistas espaciales de Estados Unidos (muy influenciado por Chesley Bonestell), y ha escrito e ilustrado numerosos libros sobre la historia de la Tierra y el Sistema Solar, a menudo en colaboración con el artista Ron Miller.

Hartmann es miembro de la Asociación Internacional de Artistas Astronómicos. Su obra escrita incluye también libros de texto, cuentos y novelas, la más reciente publicada en 2003. En 1997 fue el primer galardonado con la Medalla Carl Sagan a la Excelencia en la Comunicación Pública en Ciencias Planetarias de la División de Ciencias Planetarias de la Sociedad Astronómica Americana.

Hartmann fue miembro del Proyecto OVNI de la Universidad de Colorado en 1966-1968 (conocido informalmente como el Comité Condon), un controvertido estudio público sobre los ovnis patrocinado por las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos. Investigó principalmente las pruebas fotográficas, y rechazó la mayoría por considerarlas poco fiables o no concluyentes; en sus estudios, publicados en el informe final del Comité, concluyó que dos casos -Grandes Cataratas (imágenes en movimiento de dos fuentes de luz brillantes difíciles de conciliar con aeronaves conocidas) y McMinnville (dos fotografías de una nave en forma de platillo)- carecían de explicación y eran especialmente dignos de mención como prueba de la realidad de los ovnis.

El asteroide 3341 Hartmann lleva su nombre.