Martin Zimmermann erforscht die Landschaften und Lebenswelten der antiken Mittelmeerwelt mit Schwerpunkt auf Kleinasien. Statt sich nur auf Texte zu stützen, betrachtet er historische Räume als Zusammenspiel von Landschaft, Siedlung und materiellen Hinterlassenschaften und legt dabei besonderes Gewicht auf das Verhältnis zwischen Stadt und Umland.
Seit 1989 arbeitet er archäologisch in der lykischen Polis Kyaneai. In den Jahren 1999 bis 2005 untersuchte Martin Zimmermann in Zentrallykien die Wechselbeziehungen zwischen Küste und Hinterland und verglich die Stadtentwicklung im Bergland und an der Küste.
Als Sprecher des DFG-Schwerpunktprogramms „Die hellenistische Polis als Lebensform“ (2006 bis 2012) rückte er die Stadt als sozialen und kulturellen Erfahrungsraum in den Fokus. Seine in diesem Umfeld vorgenommenen Untersuchungen in der Chora von Pergamon und in der im 1. Jh. v. Chr. aufgegebenen Stadt Atarneus eröffneten die Perspektive auf die antike Ruinierung: die Wahrnehmung „verlorener Städte“ und der Umgang antiker Gesellschaften mit ihrer Vergangenheit bildeten den Kern seines Projekts „Lost Cities“, das 2026 in einer Monografie mündete.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die antike Geschichtsschreibung. Zimmermanns Beschäftigung mit dem Geschichtsschreiber Herodian führte zu grundlegenden Fragen der literarischen Gestaltung des historischen Wissens und zur Repräsentation von Macht. In verschiedenen kulturgeschichtlichen Kontexten ergründete der Historiker, wie Herrschaft sichtbar gemacht und Prestige erzeugt wurde. Dabei nimmt er insbesondere auch die Darstellung von Gewalt als erzählerisches Mittel in den Blick, die in besonderem Maße geeignet ist, gesellschaftliche Ordnungen sichtbar zu machen und politische Botschaften zu vermitteln.
Darüber hinaus richtet Zimmermann den Blick auf die konkreten Erfahrungen antiker Menschen. Aufbauend auf archäologischen Forschungen untersucht er Alltagswelten – Wohn-, Arbeits-, Feier-, Liebes- und Trauerorte – und zeigt in seinem Buch „Die seltsamsten Orte der Antike“, wie ungewöhnliche Schauplätze kulturelle Vorstellungswelten sichtbar machen. Ein besonderer Fokus gilt antiken Lebensläufen: Geburt, Familie, Ehe, Alter und Tod als Stationen zwischen gesellschaftlichen Erwartungen und individueller Erfahrung. Gegenwärtig fließen die Ergebnisse in eine Monografie, die versucht, ein antikes Leben in seiner sozialen und kulturellen Vielschichtigkeit nachzuzeichnen.