La carrière de Hartmann s’étend sur plus de 40 ans, depuis le travail au début des années 1960 avec Gerard Kuiper sur Mare Orientale, et le travail sur le projet de cartographie de Mars de Mariner 9, jusqu’au travail actuel dans l’équipe d’imagerie de Mars Global Surveyor. Il est actuellement scientifique principal au Planetary Science Institute.

Il est depuis longtemps l’un des principaux artistes américains de l’espace (fortement influencé par Chesley Bonestell), et a écrit et illustré de nombreux livres sur l’histoire de la Terre et du système solaire, souvent en collaboration avec l’artiste Ron Miller.

Hartmann est membre de l’Association internationale des artistes astronomiques. Son œuvre écrite comprend également des manuels, des nouvelles et des romans, dont le plus récent a été publié en 2003. En 1997, il a été le premier récipiendaire de la médaille Carl Sagan pour l’excellence en communication publique dans le domaine des sciences planétaires, décernée par l’American Astronomical Society, Division for Planetary Sciences.

Hartmann était membre du projet OVNI de l’Université du Colorado de 1966-1968 (officieusement connu sous le nom de Comité Condon), une étude publique controversée des OVNIs sponsorisée par l’US Air Force. Il a principalement enquêté sur les preuves photographiques, et a rejeté la plupart d’entre elles comme étant peu fiables ou non concluantes ; dans ses études publiées dans le rapport final du Comité, il a conclu que deux cas – Great Falls (images animées de deux sources lumineuses brillantes difficiles à concilier avec des avions connus) et McMinnville (deux photographies d’un engin en forme de soucoupe) – étaient inexpliqués et particulièrement dignes d’intérêt en tant que preuves probantes de la réalité des ovnis.

L’astéroïde 3341 Hartmann porte son nom.