Mårtensson begann mit dem Fußballspielen bei "HAIS" in Helsingborg. 1934 wechselte er zu Helsingborgs IF. Zwar stieg er am Ende der Spielzeit mit dem Klub aus der Allsvenskan in die Division 2 ab, blieb dem Klub aber treu. 1937 gelang die Rückkehr in die Erstklassigkeit und als Leistungsträger konnte er sich für die schwedische Nationalmannschaft empfehlen, in der er am 21. November 1937 bei der 0:5-Niederlage im Qualifikationsspiel zur Weltmeisterschaft 1938 gegen die deutsche Nationalmannschaft debütierte. Obwohl die Qualifikation zum Turnier gelang, wurde er nicht in den endgültigen Kader nominiert.