Cariera lui Hartmann se întinde pe o perioadă de peste 40 de ani, de la munca de la începutul anilor ’60 cu Gerard Kuiper pe Mare Orientale, la munca în cadrul proiectului de cartografiere a planetei Marte cu Mariner 9, până la munca actuală în cadrul echipei de imagistică Mars Global Surveyor. În prezent, este cercetător senior la Planetary Science Institute.

Este de mult timp unul dintre cei mai importanți artiști spațiali americani (puternic influențat de Chesley Bonestell) și a scris și ilustrat numeroase cărți despre istoria Pământului și a sistemului solar, adesea în colaborare cu artistul Ron Miller.

Hartmann este membru al Asociației Internaționale a Artiștilor Astronomi. Opera sa scrisă include, de asemenea, manuale, povestiri scurte și romane, cel mai recent fiind publicat în 2003. În 1997 a fost primul laureat al Medaliei Carl Sagan pentru excelență în comunicarea publică în domeniul științelor planetare din partea Societății Astronomice Americane, Divizia pentru Științe Planetare.

Hartmann a fost membru al Proiectului OZN al Universității din Colorado din 1966-1968 (cunoscut neoficial sub numele de Comitetul Condon), un controversat studiu public al OZN-urilor sponsorizat de Forțele Aeriene ale SUA. El a investigat în primul rând dovezile fotografice și le-a respins pe cele mai multe ca fiind nesigure sau neconcludente; în studiile sale publicate în raportul final al Comitetului, a concluzionat că două cazuri – Great Falls (imagini în mișcare a două surse de lumină strălucitoare greu de reconciliat cu aeronavele cunoscute) și McMinnville (două fotografii ale unei nave în formă de farfurie) – au fost inexplicabile și deosebit de demne de luat în seamă ca dovezi doveditoare ale realității OZN-urilor.

Asteroidul 3341 Hartmann este numit după el.

.