Studium in München. Promotion 1901 bei Richard Hertwig. Privatdozent in Gießen 1903. 1905 Übersiedlung an das Institut für Infektionskrankheiten (später Robert-Koch-Institut) in Berlin und Aufbau der Protozoen-Abteilung. 1914 Abteilungsleiter am neuen Kaiser-Wilhelm-Institut (Max-Planck-Institut) für Biologie in Berlin-Dahlem. 1933 Direktor an diesem Institut, das 1944 nach Hechingen und 1952 nach Tübingen verlegt wurde.

Als hervorragender Vertreter der neuen experimentellen Richtung der Biologie hat Hartmann ihre methodologischen, erkenntnistheoretischen und philosophischen Grundlagen untersucht. In erster Linie betrafen seine Forschungen Morphologie und Physiologie der Fortpflanzung, bevorzugt Studien an einzelligen Lebewesen. 

Von ihm stammt das Gesetz der Relativität der geschlechtlichen Differenzierung, wonach bei morphologisch nicht differenzierten Geschlechtszellen ein Gamet je nach der sexuellen Stärke seines Partners die Rolle des männlichen oder weiblichen Gameten übernehmen kann. 

Weiterhin Forschungen über die biochemische Steuerung der Vereinigung der Sexualzellen (Gamone) und der Nachweis von besonderen Stoffen (Termone), welche die Ausprägung des Geschlechts bestimmen. Verfasser des Lehrbuchs "Allgemeine Biologie".