Kariera Hartmanna obejmuje ponad 40 lat, od pracy we wczesnych latach 60. z Gerardem Kuiperem na Mare Orientale i pracy przy projekcie mapowania Marsa Mariner 9, do obecnej pracy w zespole obrazowania Mars Global Surveyor. Obecnie jest starszym naukowcem w Planetary Science Institute.

Od dawna jest jednym z czołowych amerykańskich artystów kosmicznych (pod silnym wpływem Chesleya Bonestella), napisał i zilustrował wiele książek na temat historii Ziemi i Układu Słonecznego, często we współpracy z artystą Ronem Millerem.

Hartmann jest Fellow of the International Association of Astronomical Artists. Jego prace pisemne obejmują również podręczniki, krótką beletrystykę i powieści, z których ostatnia została opublikowana w 2003 roku. W 1997 roku został pierwszym odbiorcą Medalu Carla Sagana za Doskonałość w Komunikacji Publicznej w Naukach Planetarnych od Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego, Wydział Nauk Planetarnych.

Hartmann był członkiem Projektu UFO Uniwersytetu Kolorado w latach 1966-1968 (nieformalnie znanego jako Komitet Condona), kontrowersyjnego publicznego badania UFO sponsorowanego przez Siły Powietrzne USA. Badał przede wszystkim dowody fotograficzne i odrzucił większość z nich jako niewiarygodne lub nierozstrzygające; w swoich badaniach opublikowanych w raporcie końcowym Komitetu stwierdził, że dwa przypadki – Great Falls (zdjęcia dwóch jasnych źródeł światła trudne do pogodzenia ze znanymi samolotami) i McMinnville (dwie fotografie statku w kształcie spodka) – były niewyjaśnione i szczególnie godne uwagi jako dowody potwierdzające rzeczywistość UFO.

Asteroida 3341 Hartmann została nazwana jego imieniem.

.