Родился 22 мая 1905. Детство и юность его прошли в Омске. Отец, Н. И. Мартынов, был инженером путей сообщения. Мать, М. Г. Збарская, привила сыну любовь к чтению и искусству. В отрочестве Мартынов читал много романтико-приключенческой литературы — А. Конан Дойль, Дж. Лондон, А. Грин; изучал географию и теологию, интересовался техникой и сибирским фольклором. Учился в Омской классической гимназии, но не окончил. В 1920 примкнул к группе омских футуристов — художников, артистов и поэтов.
С 1921 начал печатать свои заметки в омской газете «Рабочий путь». К тому же времени относятся первые публикации его стихов в местных газетах. Позже они появились и на страницах журнала «Сибирские огни». Вскоре Мартынов отправился в Москву поступать во ВХУТЕМАС, где попал в круг близких ему по духу молодых художников русского авангарда, но из-за болезни и голода был вынужден вернуться домой.
От редакции он ездил в командировки по Сибири, Казахстану и Средней Азии — писал о строительстве Турксиба и первых совхозов — гигантов. Эти впечатления отразились в его первой книге — книге очерков «Грубый корм, или Осеннее путешествие по Иртышу» (1930). Журналистский опыт позже сказался и на тематике, и на поэтике Мартынова.
В 1932 поэт был арестован по обвинению в контрреволюционной пропаганде. Ему приписали участие в мифической группе писателей — «сибирской бригаде». От гибели Мартынова спасла лишь случайность. В 1933 он был отправлен в административную ссылку в Вологду, где жил до 1935, сотрудничая в местных газетах. После ссылки Мартынов вернулся в Омск и написал ряд поэм на тему сибирской истории.
В 1939 поэт издал книгу «Стихи и поэмы». Книга принесла ему известность среди читателей Сибири. В 1945 в Москве вышла вторая книга Мартынова «Лукоморье». Она стала центральной в его творчестве.
В конце 1940-х в связи с выходом книги «Эрцинский лес» Мартынов подвергся журнально-газетной травле. Поэта обвинили в аполитичности и перестали печатать. Новые книги Мартынова начали выходить только после смерти И. В. Сталина. С начала «оттепели» до 1980 было издано более 20 книг поэзии и прозы.
Пик популярности Мартынова совпал с выходом в 1961 его сборника «Стихотворения». Всё больше привлекают поэта реалии научно-технической революции — транзисторы, реакторы и самолёты «Ту». Это стремление «шагать в ногу со временем» обернулось тем, что лирика Мартынова 1960-х — 1980-х значительно уступает по своему художественному достоинству творчеству 1930-х — 1950-х. Наиболее заметными из книг двух последних десятилетий стали сборники «Первородство», «Гиперболы», «Земная ноша» , «Узы бурь» и посмертный сборник «Золотой запас» . Кроме того, интерес представляют переводы Мартынова из А. Мицкевича, Л. Кохановского, Ш. Петефи, Э. Ади и других поэтов, а также книга его мемуарных новелл «Воздушные фрегаты».
