W reprezentacji Norwegii Martinsen zadebiutował 26 lipca 1936 w wygranym 4:3 towarzyskim meczu ze Szwecją, rozegranym w Sztokholmie. W 1936 roku zdobył z Norwegią brązowy medal na Igrzyskach Olimpijskich w Berlinie. W 1938 roku został powołany do kadry na Mistrzostwa Świata we Francji, na których nie zaliczył żadnego meczu. W kadrze narodowej od 1936 do 1946 roku rozegrał 25 spotkań i zdobył 10 bramek.