Für Schweden nahm Mårtensson im Juniorenbereich an der U18-Junioren-Europameisterschaft 1998 und U20-Junioren-Weltmeisterschaft 2000 teil. Bei den Senioren war er bei den Weltmeisterschaften 2006, 2007, 2008, 2009 und 2010 aktiv. Bei der U18-Junioren-Europameisterschaft 1998 und Weltmeisterschaft 2006 wurde Mårtensson mit seiner Mannschaft Weltmeister. Bei den Weltmeisterschaften 2009 und 2010 gewann er jeweils Bronze.