В 1926 году окончил Казанский государственный университет. С 1931 по 1951 года был директором Астрономической обсерватории имени В. П. Энгельгардта, а затем 3 года был ректором Казанского ГУ.
В 1954 году начал работать заведующим кафедрой астрономии в МГУ, а через год возглавил ГАИШ (до 1976 года).
Основные направления научных исследований: тесные двойные системы, планетология и переменные звёзды. Являлся главным редактором «Астрономического циркуляра» (1941—1962) и главным редактором журнала «Земля и Вселенная» (с 1965). Автор «Курса общей астрофизики» (1988) и «Сборника задач по астрофизике» (1986).
Президент ВАГО (1960, 1965, 1970—1975) и президент Комиссии № 5 «Документация» Международного астрономического союза (1955—1961).
Именем Мартынова названа малая планета (2376 Мартынов), открытая Н. С. Черных в 1977 году.
В 1945 году Д. Я. Мартынову было присуждено звание заслуженного деятеля науки Татарской АССР, а в 1966 году — заслуженного деятеля науки РСФСР. В 1986 году он был удостоен премии им. Ф. А. Бредихина.
