In eine Musikerfamilie geboren, bekam Martin Panteleev bereits im Alter von vier Jahren seinen ersten Geigenunterricht. Anschließend studierte er von 1983 bis 1995 an der nationalen Musikschule „Lyubomir Pipkov“ in seiner Heimatstadt Sofia. Seine Ausbildung setzte Panteleev an der staatlichen Hochschule für Musik in der Violinklasse von Prof. Jossif Radionoff fort. Gleichzeitig studierte er auch Dirigieren und Komposition beim Dirigenten Vassil Kazandjiev und Prof. Plamen Djourov.
Seit 1999 ist Panteleev Erster Gastdirigent und Solist der von Leonard Bernstein und Justus Frantz gegründeten Philharmonie der Nationen, mit der er mehr als 1.000 Konzerte in Europa, Asien und den USA spielte. Nach seinem Debüt mit dem Sofia Philharmonic Orchestra im Jahre 2004 wurde er ständiger Gastdirigent und ist seit der Saison 2011 bis 2017 Chefdirigent des Orchesters.
Martin Panteleev hat mit über 30 verschiedenen Orchestern gearbeitet, darunter dem Royal Philharmonic, dem English Chamber Orchestra, dem Concertgebouw Chamber Orchestra, den Berliner Symphonikern, dem Johannesburg Philharmonic Orchestra, dem Schleswig-Holstein Sinfonieorchester, dem Orchester des Stadttheaters Trier, dem Orquesta Symphonica di Lecce, dem Netherlands Symphony Orchestra, Enschede, dem Orquesta Sinfonica de Buenos Aires und dem Mexico Orquesta National de Jalisco. Er musizierte in Konzertsälen wie dem Amsterdamer Royal Concertgebouw, der Berliner Philharmonie und dem großen Saal des Moskauer Konservatoriums. Zudem ist er Gast bei bekannten Klassik Festivals, wie dem Rheingau Musikfestival, dem MDR Musiksommer und dem Schleswig-Holstein Musik Festival. 2008 leitete er eine sehr erfolgreiche Nordamerikatournee mit dem Sofia Festival Orchestra. 2011 kehrte er mit einer Tournee mit dem Cape Town Philharmonic, der ersten Konzerttournee eines afrikanischen Orchesters in der Geschichte Amerikas, in die USA zurück. Seit 2012 ist Panteleev Erster Gastdirigent der Cape Town Philharmonic.
Neben seiner Tätigkeit als Violin-Solist und Dirigent ist Martin Panteleev auch als äußerst schöpferischer Komponist erfolgreich. Seine Kompositionen wurden mehrmals in Deutschland, China, Südafrika, Bulgarien und Mazedonien aufgeführt. Er gewann zahlreiche Preise, darunter den Johannes Brahms Kammermusik Wettbewerb (Sofia 1994), den Béla Bartók Preis (Sofia 1994), den Kompositionspreis der Earth and People International Competition (Sofia 1995), den Ehrenpreis des Bulgarischen Ministeriums für Kultur (2007), den Ehrenpreis „Goldene Muse“ des Russischen Ministeriums für Kultur (2012) und „Musiker des Jahres“ (2014) in Sofia, Bulgarien.
Seit 2018 ist Martin Panteleev Erster Gastdirigent der Würth Philharmoniker, mit denen er mehrere erfolgreiche Konzerte in Deutschland, Italien, Schweiz und Belgien durchgeführt hat. 2019 wurde er eingeladen, seine erste Tournee durch Israel mit dem Israel Symphony Orchestra zu dirigieren.
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