Étant issu d'une famille protestante pratiquante, ni lui ni ses frères aînés ne sont autorisés par la République démocratique allemande (RDA) à achever leur scolarité. En 1990, il entreprend un apprentissage de maçon, sanctionné par un Abitur. Il l'obtient en 1992, année de son adhésion au SPD.
Il quitte la direction des Jusos du Land la même année, et prend la tête de la section du parti dans le sous-district de Dresde-Elbe-Röder.
Lors des élections du , il est investi dans 40ecirconscription et en deuxième position sur la liste régionale. Ne recueillant que 11,9% des voix au scrutin majoritaire, il doit son élection au scrutin proportionnel. À l'ouverture de la législature, le groupe parlementaire le choisit pour occuper les fonctions de secrétaire général.
Chef du SPD de Saxe
Il est élu président du groupe en 2007, à la suite de la démission de Cornelius Weiss. Aux élections législatives régionales du 30 août 2009, il est de nouveau investi dans la 40ecirconscription, tout en obtenant la troisième place de la liste proportionnelle. Il doit se contenter de 14,6% des «premières voix» mais reste député grâce aux «secondes voix».
Les sociaux-démocrates n'ayant pu maintenir leur alliance avec les chrétiens-démocrates sans pour autant progresser d'un point de vue électoral, le président du SPD de SaxeThomas Jurk démissionne. Lors du congrès extraordinaire du suivant, Martin Dulig prend sa succession, à l'âge de 35 ans seulement, avec plus de 70% des voix des délégués.
Ayant intégré le comité directeur fédéral du parti au congrès de , il est investi chef de file pour les élections législatives régionales du 31 août 2014 par 95,4% des voix lors d'un congrès spécifique le .
Ministre de l'Économie du Land
Sous sa conduite, le SPD remonte jusqu'à 12,4% des voix, une progression de l'ordre de deux points seulement. Candidat dans la 40ecirconscription, il y remporte 21% des suffrages exprimés. Il échoue à l'emporter mais est réélu député, en tant que tête de liste régionale.
Le ministre-président chrétien-démocrate Stanislaw Tillich ayant perdu sa majorité avec la déroute du Parti libéral-démocrate (FDP), il se tourne vers les sociaux-démocrates et constitue une «grande coalition». Ainsi, le suivant, Martin Dulig est nommé vice-ministre-président, ministre de l'Économie, du Travail et des Transports de Saxe.
