Mårtensson var med i den trupp som tog guld under JEM:s sista upplaga. Två år senare blev han uttagen till JVM när det avgjordes i Sverige 2000. Sverige föll i kvartsfinal mot USA med 1–5 och Mårtensson noterades för sex poäng på sju matcher (två mål, fyra assist). Den 11 november 2004 debuterade Mårtensson i Tre Kronor under Karjala Cup. Den 26 april 2006 gjorde han sitt första mål i en A-landskamp – mot Milan Hnilička när Sverige besegrade Tjeckien med 3–0 i LG Hockey Games 2006.