К литературе обратился в начале 1950-х годов. Первая публикация — повесть «220 дней на звездолете» (1955). С 1956 Мартынов становится профессиональным писателем, вступает в Союз писателей СССР. Автор эпопей «Звездоплаватели» и «Каллисто», романа-утопии «Гость из бездны». Наперекор традиции, сложившейся в эпоху «ближнего прицела», одним из первых советских фантастов исследовал далекое будущее человечества, обращался к тем же темам и сюжетам, что и И. Ефремов и А. и Б. Стругацкие в их раннем творчестве, однако адресовал свои произведения преимущественно детской и подростковой аудитории, что накладывало определенные ограничения. Повести и романы Мартынова переводились на английский, болгарский, венгерский, грузинский, китайский, корейский, латышский, монгольский, немецкий, польский, сербско-хорватский, словацкий, французский, чешский, японский языки.