Hartmann pályafutása több mint 40 évet ölel fel, az 1960-as évek elején Gerard Kuiperrel a Mare Orientale-on végzett munkájától a Mariner 9 Mars-térképezési projektben végzett munkáján át a Mars Global Surveyor képalkotó csapatában végzett jelenlegi munkájáig. Jelenleg a Planetary Science Institute vezető tudósa.

Hosszú ideje Amerika egyik vezető űrművésze (akire nagy hatással volt Chesley Bonestell), és számos könyvet írt és illusztrált a Föld és a Naprendszer történetéről, gyakran Ron Miller festőművésszel együttműködve.

Hartmann a Csillagászati Művészek Nemzetközi Szövetségének tagja. Írásos munkái között tankönyvek, kisregények és regények is szerepelnek, a legutóbbi 2003-ban jelent meg. 1997-ben ő volt az első, aki megkapta az Amerikai Csillagászati Társaság bolygótudományi részlegétől a bolygótudományok nyilvános kommunikációjáért járó Carl Sagan-érmet.

Hartmann tagja volt az 1966-1968-as University of Colorado UFO Projectnek (nem hivatalos nevén a Condon Bizottságnak), amely az amerikai légierő által támogatott, az UFO-król szóló vitatott nyilvános tanulmány volt. Elsősorban fényképes bizonyítékokat vizsgált, és a legtöbbet mint megbízhatatlant vagy nem meggyőzőt elutasította; a bizottság zárójelentésében közzétett tanulmányaiban két esetet – Great Falls (mozgóképek két fényes fényforrásról, amelyeket nehéz összeegyeztetni ismert repülőgépekkel) és McMinnville (két fénykép egy csészealj alakú járműről) – megmagyarázhatatlan és különösen figyelemre méltó bizonyítékként az UFO-k valóságára vonatkozóan.

A 3341 Hartmann nevű aszteroidát róla nevezték el.