Композитор, автор музыки к советским и российским фильмам, театральным постановкам, балету и богослужениям. Его творческая биография состоит из контрастов: древнерусская церковная музыка и произведения для синтезаторов, арт-рок и электроника, десятки произведений и отрицание культа авторства.

В 1977 году создал рок-группу «Форпост». Изучал музыку Средневековья и Возрождения, занимался изучением древнерусского богослужебного пения и реставрацией памятников пения. Среди наиболее известных произведений Мартынова: «Литания Девы Марии» для трех голосов и струнного ансамбля, The Beatitudes, «Сингапур. О чужих краях и людях. Геополитическая утопия», симфония для оркестра и смешанного хора, «Стена-сообщение» для фортепиано, «Дети выдры» по мотивам сверхповести Велимира Хлебникова.

Автор музыки к мультфильмам «Серебряное копытце», «Шкатулка с секретом», «Премудрый пескарь» и другим. Мартынов написал саундтреки к фильмам Паоло Соррентино, Александра Прошкина, Сергея Герасимова, Николая Досталя, Вадима Абдрашитова, Павла Лунгина, а также к театральным постановкам Юрия Любимова.

Композитор также является теоретиком и философом: автором трактата «Конец эпохи композиторов», книг «История богослужебного пения», «Культура, иконосфера и богослужебное пение Московской Руси», «Зона opus posth, или Рождение новой реальности». С 2002 года проводит собственный музыкальный фестиваль в московском культурном центре «Дом».