Trainer Magnus Pehrsson setzte Mårtensson direkt im Anschluss an die aufgrund der Europameisterschaft 2008 stattfindenden Sommerpause ein, bei der 0:2-Heimniederlage gegen GIF Sundsvall Ende Juli des Jahres debütierte der Nachwuchsspieler als Einwechselspieler für Andreas Tobiasson. Bereits zwei Wochen später stand er erstmals in der Startformation, bis zum Ende der Spielzeit 2008 hatte er 15 Ligaspiele absolviert und mit der Mannschaft an der Seite von Dime Jankulovski, Bobbie Friberg Da Cruz und Wanderson do Carmo als Tabellenelfter die Klasse gehalten. Beim 4:2-Auswärtserfolg bei Hammarby IF Mitte August hatte er dabei sein erstes Tor in der Allsvenskan erzielt. Anschließend übernahm Alexander Axén für den nach Dänemark gewechselten Pehrsson das Traineramt, bereits in der Vorbereitung zur Spielzeit 2009 etablierte sich Mårtensson als Stammkraft und stand in der anschließenden Spielzeit bei seinen 25 Ligaeinsätzen jeweils in der Startformation. Parallel spielte er sich in die von Tommy Söderberg und Jörgen Lennartsson betreute schwedische U-21-Auswahl, mit der er in der Qualifikation zur U-21-Europameisterschaft 2011 antrat. Bei den entscheidenden Play-Off-Spielen im Herbst 2010 gegen die Schweiz saß er jedoch nur auf der Ersatzbank und konnte das Ausscheiden nicht verhindern.