Inför &lt;a href="Elitserien%20i%20ishockey%202000/2001"&gt;säsongen 2000/01&lt;/a&gt; skrev Mårtensson på för Brynäs IF i Elitserien. Mårtensson gjorde debut i Elitserien den 21 september 2000 och gjorde sina två första Elitseriemål i den andra omgången, den 23 september samma år, i en 5–0-seger mot Timrå IK. Under sin debutsäsong i Elitserien noterades han för 26 poäng på 50 grundseriematcher, fördelat på 15 mål och 11 assist. I SM-slutspelet noterades han för en assistpoäng på fyra matcher då Brynäs slogs ut av Malmö IF med 4–0 i kvartsfinalserien. Under sommaren 2001 valdes Mårtensson i NHL-draften i den sjunde rundan som nummer 224 totalt av Mighty Ducks of Anaheim. Mårtensson spelade sedan ytterligare en säsong med Brynäs, där han tangerade sin poängskörd från föregående säsong. På 50 matcher stod han för 9 mål och 17 assistpoäng. Likt föregående säsong slogs Brynäs omgående ut i SM-slutspelet med 4–0 i matcher, denna gång av Färjestad BK. Mårtensson noterades för ett mål och tre assistpoäng på dessa fyra matcher.