Hartmanns karriär sträcker sig över 40 år, från arbetet i början av 1960-talet med Gerard Kuiper på Mare Orientale och arbetet med Mariner 9:s marskartläggningsprojekt till det nuvarande arbetet med Mars Global Surveyor. Han är för närvarande senior forskare vid Planetary Science Institute.

Hartmann har länge varit en av USA:s ledande rymdkonstnärer (starkt influerad av Chesley Bonestell) och har skrivit och illustrerat ett flertal böcker om jordens och solsystemets historia, ofta i samarbete med konstnären Ron Miller.

Hartmann är medlem av International Association of Astronomical Artists. Hans skriftliga arbete omfattar också läroböcker, noveller och romaner, varav den senaste publicerades 2003. År 1997 var han den första mottagaren av Carl Sagan Medal for Excellence in Public Communication in Planetary Science från American Astronomical Society, Division for Planetary Sciences.

Hartmann var medlem i UFO-projektet vid University of Colorado 1966-1968 (informellt känt som Condon-kommittén), en kontroversiell offentlig studie av UFO:er som sponsrades av det amerikanska flygvapnet. Han undersökte främst fotografiska bevis och förkastade de flesta som opålitliga eller ofullständiga; i sina studier som publicerades i kommitténs slutrapport drog han slutsatsen att två fall – Great Falls (rörliga bilder av två ljusa ljuskällor som var svåra att förena med kända flygplan) och McMinnville (två fotografier av en tefatformad farkost) – var oförklarliga och särskilt anmärkningsvärda som bevis för att UFO:er existerar.

Asteroiden 3341 Hartmann är uppkallad efter honom.