Martinsons Filmografie umfasst insgesamt 135 Werke. Neben Rollen in politischen Filmen und Literaturadaptionen war er in zahlreichen Märchenfilmen zu sehen, bevorzugt unter der Regie von Alexander Lukitsch Ptuschko. Viele seiner Figuren waren humoristisch geprägt, außerdem verarbeitete er auch Elemente der Pantomime. Sein wohl weitreichendstes Engagement hatte Martinson für den Film Боевой киносборник №7 ("Bojewoi kinosbornik №7") aus dem Jahr 1941, in dem er als erster Adolf Hitler in einem sowjetischen Film darstellte. Für diese Rolle wurde Martinson in Deutschland auf die "Schwarze Liste" gesetzt und war für den Fall, dass die Invasionstruppen seiner habhaft werden, sofort hinzurichten. Hitler verkörperte er danach noch zwei weitere male.