Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Den 31-årige avslutade 40 km rutten på 44 minuter 42.99 sekunder, 45 sekunder snabbare än att försvara mästare Vasil Kiryienka av Vitryssland.
Spaniens Jonathan Castroviejo var tredje.
Det var Martins andra guld i veckan i Doha, efter seger i männens lag tid rättegång i hans sista lopp för Etixx-Quick Step.
Martin kommer att lämna Belgien-baserade sidan för att ansluta sig till Katusha från 2017.
Schweiz Fabian Cancellara, som ska gå i pension i år och inte tävlade i Doha, vann fyra titlar mellan 2006 och 2010.
"Jag vill bli världsmästare varje år, så jag är så stolt att jag kan rida i en världsmästare kostym från nästa år", säger Martin. "Jag har saknat det mycket.
"Kursen var gjord för mig. Jag hade bara kul på vägen."
Samväldes tid rättegång mästare Alex Dowsett var den bästa av två Britons tävlande, efter 12: e på 46 minuter 54.07 sekunder. Landsman Steve Cummings var 25:e.
Kvinnornas elit road race äger rum på lördag, med Storbritanniens Lizzie Deignan försvarare.
Män elit road race är på söndag, med Storbritanniens Mark Cavendish bland favoriterna.
2010 Samväldes tid rättegång mästare David Millar på BBC TV:
"Det var en fantastisk resa. Tony Martin är som bäst.
"Kursen var platt, det finns inga överraskningar, det är bara vem som kan hålla den kraften under den längsta tiden. Det var uppvisningen av en världsmästare. Ingen kunde ha kommit i närheten av att matcha det.
"Alex Dowsett kommer att bli besviken över att avsluta 12:e. Jag tror att han är kapabel att göra bättre ifrån sig. Jag är inte säker på om det var värmen eller avståndet, eftersom han är en timme rekord innehavare och vi har sett honom där uppe tidigare.
"Men jag tror att det bara är en tidsfråga innan vi ser honom där uppe igen."
Ta reda på hur du kommer in i cykling med vår speciella guide.
Tysklands Tony Martin vann en gemensam rekord fjärde mäns individuella tid rättegång världstitel på Road Cycling World Championships i Qatar.