Martinsen pięciokrotnie stawał na podium mistrzostw świata. W 1966 r. wystartował na mistrzostwach świata w Oslo, gdzie zdobył brązowy medal w biegu na 15 km. Na tych samych mistrzostwach razem z Haraldem Grønningenem, Ole Ellefsæterem i Gjermundem Eggenem zdobył złoty medal w sztafecie. Cztery lata później, podczas mistrzostw świata w Wysokich Tatrach zdobył kolejne dwa medale. Pierwsze wywalczył brązowy medal w biegu na 30 km, a następnie srebrny medal w biegu na 15 km, w którym wyprzedził go jedynie Lars-Göran Åslund ze Szwecji. Swój ostatni medal mistrzostw świata zdobył zajmując wraz z Magne Myrmo, Ivarem Formo i Oddvarem Brå trzecie miejsce w sztafecie podczas mistrzostw świata w Falun w 1974 r.
W 1969 r. wygrał bieg na 15 km podczas Holmenkollen Ski Festival. W tym samym roku otrzymał Medal Holmenkollen. Martinsen był mistrzem Norwegii w biegu na 15 km w latach 1966 i 1970, w biegu na 30 km Zajął drugie miejsce w klasyfikacji generalnej nieoficjalnego Pucharu Świata w sezonie 1974/1975.