Martin Harrison doit sa renommée à la grande fouille de l'église Saint-Polyeucte dans le quartier de Saraçhane à Istanbul, qu'il mène pour le compte du centre d'études byzantines de Dumbarton Oaks conjointement avec Nezih Fıratlı du Musée archéologique d'Istanbul de 1964 à 1969. Il s'agit là de la première grande fouille stratigraphique menée à Istanbul, et elle permet d'étudier les vestiges d'un monument capital dans l'histoire de l'architecture byzantine, puisque cette première grande basilique à coupole commanditée par Anicia Juliana entre 524 et 527 conduisit l'empereur Justinien à faire construire une église plus magnifique encore, Sainte-Sophie.
Mais l'œuvre de Martin Harrison ne se limite pas à cette fouille et aux deux célèbres publications qui y sont attachées, Excavations at Saraçhane (1986) et A Temple for Byzantium (1989). À partir de 1987, il retourne sur le terrain en Phrygie, dans la région où il avait commencé ses recherches d'archéologie comme étudiant de l'Institut britannique d'Ankara plusieurs décennies auparavant, et il entreprend une vaste prospection autour du site d'Amorium. Il conduit six campagnes de fouilles dans la ville protobyzantine et s'apprêtait à en mener une septième, lorsqu'il meurt dans son sommeil, à 58 ans, en décembre 1992.
