A carreira de Hartmann abrange mais de 40 anos, desde o trabalho no início dos anos 60 com Gerard Kuiper na Mare Orientale, e o trabalho no projecto de mapeamento Mariner 9 Mars, até ao trabalho actual na equipa de imagem da Mars Global Surveyor. Ele é atualmente um cientista sênior do Instituto de Ciências Planetárias.

Ele tem sido um dos principais artistas espaciais da América (fortemente influenciado por Chesley Bonestell), e escreveu e ilustrou inúmeros livros sobre a história da Terra e do Sistema Solar, muitas vezes em colaboração com o artista Ron Miller.

Hartmann é um Fellow da Associação Internacional de Artistas Astronômicos. Seu trabalho escrito também inclui livros didáticos, ficção curta e romances, sendo o mais recente publicado em 2003. Em 1997 ele foi o primeiro recebedor da Medalha Carl Sagan de Excelência em Comunicação Pública em Ciência Planetária da Sociedade Astronômica Americana, Divisão de Ciências Planetárias.

Hartmann foi membro do Projeto OVNI da Universidade do Colorado 1966-1968 (informalmente conhecido como o Comitê Condon), um controverso estudo público sobre OVNIs patrocinado pela Força Aérea Americana. Ele investigou principalmente evidências fotográficas, e rejeitou a maioria como não confiável ou inconclusiva; em seus estudos publicados no relatório final do Comitê, ele concluiu dois casos – Great Falls (filmes de duas fontes de luz brilhante difícil de reconciliar com aeronaves conhecidas) e McMinnville (duas fotografias de uma embarcação em forma de pires) – foram inexplicáveis e particularmente notáveis como evidência probatória da realidade dos OVNIs.

Asteroid 3341 Hartmann tem o seu nome.