Unter der Regie von Karl Malden spielt er im gleichen Jahr neben Richard Widmark in "Wenn Männer zerbrechen", Irving Rapper ist der Regisseur der Herman-Wouk-Verfilmung "Die Liebe der Marjorie Morningstar" (1958) mit Gene Kelly und Natalie Wood.
1965 erhält Balsam den Oscar für die Nebenrolle in Fred Coes "Tausend Clowns", die er bereits am Broadway gespielt hat. In den 60er Jahren hat er einen großen Broadway-Erfolg in dem Tennessee-Williams-Stück "Die tätowierte Rose", 1967 erhält er den Tony Award für den Broadwayerfolg "You Know I Can't Hear You When the Water Is Running".
Weitere Filme mit Martin Balsam: "Al Capone", "Mitten in der Nacht" mit Kim Novak (beide 1959), "Der Weg zurück", Alfred Hitchcocks "Psycho", Blake Edwards "Frühstück bei Tiffany" (alle 1960), "Frau mit Vergangenheit" (1961), "Ein Köder für die Bestie" (1962), Edward Dmytryks "Die Unersättlichen", John Frankenheimers "Sieben Tage im Mai", "Wer hat in meinem Bett geschlafen?" (alle 1963), "Jagt den Fuchs", "Zwischenfall im Atlantik", "Die Welt der Jane Harlow" (alle 1965), Martin Ritts "Man nannte ihn Hombre" (1966), "Die Letzten vom Red River", "Ich, Natalie", "Little Big Man", "Tora! Tora! Tora!" (alle 1969), Mike Nichols' "Catch 22 - Der böse Trick", "Der Anderson-Clan" (beide 1970), "Der Clan, der seine Feinde lebendig einmauert" von Damiano Damiani, "Mordanklage gegen einen Studenten" (1971), "Die Nacht des Schreckens" (1972), "Ein Mann geht über Leichen", "Sommerwünsche, Winterträume" (beide 1973), "Mord im Orient-Express", "Stoppt die Todesfahrt der U-Bahn 123" (beide 1974), "Zwiebel Jack räumt auf", "Zwei-Minuten-Warnung" (beide 1975), "Die Unbestechlichen", "...die keine Gnade kennen", "Hexensabbat", "Höllenhunde bellen zum Gebet" (alle 1976), "Das Cherry Street Fiasko", "Silber, Banken und Ganoven" (beide 1977), "Der Angriff kommt aus dem All" (1978), Richard Lesters "Explosion in Cuba" (1979), "Daddy dreht durch" (1080), "Ich will Leben", "Kennwort Salamander" (beide 1983), Joel Schumachers "St. Elmo's Fire - Die Leidenschaft brennt tief" (1985), "Delta Force", "Spiel, Satz, Sieg" (beide 1986), "Private Investigations", "Queenie"" (beide 1987), "Der letzte Fight" (1990), Martin Scorseses "Kap der Angst" (1991), "Two for the Job" (1992), "Das Schweigen der Hammel" (1993) und "Spirit Dog - Die Fährte des Geisterhundes" (1996).