We wrześniu 1939 na polecenie władz miasta, podobnie jak inni mężczyźni zdolni do noszenia broni, opuścił Lublin (zostawiając w nim rodzinę). Wrócił 17 września do miasta zajętego już przez Niemców. W związku ze zbliżającym się terminem rozpoczęcia roku akademickiego ks. rektor Antoni Szymański (aresztowany 9 listopada 1939) zwołał naradę profesorów w sprawie wznowienia działalności KUL. Część profesorów zdecydowała się zostać i podjąć wykłady. Czesław Martyniak wierny idei Uniwersytetu „Deo et Patriae”, był wśród nich. 10 listopada 1939 miał ostatni wykład a 11 listopada nastąpiło aresztowanie wszystkich pozostałych na Uczelni profesorów (m.in. prorektora KUL Ignacego Czumę), jako tzw. zakładników w związku ze świętem Niepodległości. Został rozstrzelany 23 grudnia 1939 na starym cmentarzu żydowskim przy ulicy Siennej w Lublinie, wraz z dziewięcioma innymi przedstawicielami lubelskiej inteligencji i dwoma młodocianymi przestępcami kryminalnymi (dla zachowania pozorów) w ramach akcji Sonderaktion Lublin, wymierzonej w elitę społeczną i intelektualną Lublina.