Der am 8. Dezember 1955 in Eckwälden (Württemberg) geborene Sohn des Regisseurs und Schauspielers Willy Semmelrogge (1923–1984) besucht die Waldorfschule und arbeitet schon mit 12 Jahren als Hörspielsprecher im Radio. Seine Karriere als Schauspieler beginnt 1971, als er von Helmut Ringelmann in der Krimiserie "Der Kommissar" (Episode: "Fluchtwege") eine Hauptrolle als jugendlicher Vatermörder angeboten bekommt. Es folgt die anspruchsvolle Serie "Tadellöser & Wolff" (1975) nach dem Roman von Walter Kempowski. Großen Erfolg hat Semmelrogge in dem Kinderfilm-Zweiteiler "Die VorstadtKrokodile" (1977) nach Max von der Grün.

Daneben spielt Semmelrogge wiederholt Hauptrollen in Theaterstücken: 1976 debütiert er in Tom Stoppards "Rosenkranz und Güldenstern" in Lübeck, später spielt er den Jimmy in Tennessee Williams’ "Die Glasmenagerie" (1978).

Der endgültige Durchbruch gelingt ihm 1981 in Wolfgang Petersens Welterfolg "Das Boot", in der Rolle des spitzbübischen 2. Wachoffiziers. In den folgenden Jahren avanciert Semmelrogge zu einem der meistbeschäftigten Schauspieler des deutschen Fernsehens. Er übernimmt Gastrollen in zahlreichen Krimiserien wie "Derrick", "Der Alte" und "Ein Fall für Zwei" (um nur ein paar zu nennen), wobei er auf Grund seiner schlitzohrigen Erscheinung und seiner schnodderigen Art meist als zwielichtige Gestalt oder als mehr oder weniger sympathischer Verlierer besetzt wird. Von 1995 bis 2000 hat er eine Hauptrolle als Ermittler in der erfolgreichen, 22-teiligen Krimi-Reihe "Die Straßen von Berlin".

Seltener ist Semmelrogge auf der Kinoleinewand zu sehen: In Steven Spielbergs "Schindlers Liste" (US 1993) verkörpert er einen SS-Offizier, in Peter Zinglers Knastkomödie "Alles nur Tarnung" (1996) einen hinterhältigen Häftling; 1998 dreht er unter der Regie von Peter Thorwarth den Kinofilm "Bang Boom Bang - Ein todsicheres Ding" und gehört als flirtender Frührentner zum Ensemble von Romuald Karmakars "Manila".

Auch in den 2000er Jahren sieht man Semmelrogge vereinzelt in Kinoproduktionen, meist in größeren und kleineren Nebenrollen. Etwa als Terrorist in dem Thriller "Feindliche Übernahme – althan.com" (2001), als schnodderigen Nachbar in der skurrilen Komödie "Ein göttlicher Job" (2001), als Pornoproduzent in "Agnes und seine Brüder" (2004) und als windigen Ganoven in der Edgar-Wallace-Parodie "Neues vom Wixxer" (2007). Er hat einen Gastrauftritt als lächerlicher Polizist in dem Doku-Drama "Chaostage - We are Punks!" und gehört an der Seite von Claude-Oliver Rudolph und Ralf Richter zum Ensemble des Low-Budget Kriminaldramas "Kopf oder Zahl" (2009). In dem Kinderfilm "Vorstadtkrokodile" (2009) hat Semmelrogge einen kleineren Auftritt als Minigolfplatzbesitzer – eine Referenz an die TV-Erstverfilmung aus dem Jahr 1977, in der er den kriminellen Bösewicht gab.

Vor allem aber wirkt Martin Semmelrogge in zahlreichen TV-Produktionen mit. Er übernimmt Gastrollen in so unterschiedlichen Serien wie "Um Himmels Willen", "Unser Charly", "Gute Zeiten, schlechte Zeiten" und "SOKO Donau", sowie Nebenrollen in den Fernsehfilmen "Spurlos - Ein Baby verschwindet" (2003) und "Vera - Die Frau des Sizilianers" (2005).

Im Sommer 2009 spielt Semmelrogge bei den Bad Segeberger Karl-May-Festspielen den Schurken Colonel Brinkley in "Der Schatz im Silbersee". Danach konzentriert er sich bis 2015 fast ausschließlich auf die Bühnenarbeit. Er tritt beim Piraten-Open-Air in Grevesmühlen und bei den Karl-May-Festspielen in Elspe auf. Am Kleinen Theater Bad Godesberg steht er mit seinem Sohn in "Die toten Augen von London" (2013) auf der Bühne; an der Landesbühne Rheinland-Pfalz spielt er einen der Brandstftifter in "Biedermann und die Brandstifter" (2015) und den Jago in "Othello" (2017).

Ab 2015 sieht man Martin Semmelrogge auch wieder in TV- und Kinoproduktionen. Er hat Cameo-Auftritte als Zelleninsasse in vier Folgen der Comedyserie "Im Knast" (2015), und kurze Auftritte in "Kommissar Marthaler – Ein allzu schönes Mädchen" (2015, TV) sowie als Kumpel in der Ruhrpott-Milieustudie "Radio Heimat" (2016). Eine Hauptrolle spielt er als Söldner in dem Low-Budget-Actionfilm "Tal der Skorpione" (2019), zusammen mit Claude-Oliver Rudolph und Ralf Richter.