Учился в Академии художеств с 1773 г., образовался в ней под руководством С. Ф. Щедрина. По окончании курса в 1788 г., со званием художника XIV кл. и с золотой медалью, был отправлен за границу. Довольно долго жил в Риме, работая под влиянием Ф. Гаккерта, и вернулся в отечество в 1794 г. В следующем году Академия признала его сначала назначенным в академики, а потом академиком. В 1802 г. он получил звание советника Академии. Путешествовал с российским посольством в Пекин и написал много видов сибирских и китайских местностей; посетил, кроме того, Крым и берега Волги, откуда также заимствовал сюжеты для своих пейзажей. Предприняв вторичную поездку в Италию, умер в Риме. Похоронен на кладбище Тестаччо
Был художником очень плодовитым, и его произведения пользовались в своё время уважением. Из них можно указать на два крымских вида, находящиеся в Эрмитаже, на вид в окрестностях Рима, в музее Академии художеств, и на саксонский вид, в Московском публичном музее. Сверх картин, писаных масляными красками, Мартынов произвел немало рисунков акварелью и гуашью.
