Avant tout comédien de théâtre, François Marthouret a joué dans de nombreuses pièces, notamment celles de Shakespeare comme "Mesure pour mesure", "Songe d'une nuit d'été ou "Jules César" et met en scène "Hamlet", mais joua aussi des auteurs plus contemporains tels que Alfred Jarry ou Marguerite Duras.
Parmi sa filmographie cinématographique, on trouve des films de Michel Deville ("Le dossier 51" en 1978, "La petite bande" en 1982, "Aux petits bonheurs" en 1994) ou encore "Sitcom" de François Ozon en 1998. À la télévision, on le retrouve dans "Le misérables" en 1972, "L'affaire Dreyfus" en 1994, "Balzac" en 1999 ou "La bicyclette bleue" en 2000.
Il a tourné deux téléfilms avec Anny Duperey : "Le prix de la vérité" de Joël Santoni en 2001 et "Le voyage de la Grande Duchesse" de Joyce Buñuel en 2003. Superbe acteur, on regrette qu'il ne soit pas plus présent sur les écrans.