Martinsens första mästerskap var på hemmaplan vid VM i Oslo 1966 där han erövrade två medaljer. Dels brons individuellt på 15 kilometer och dels körde han första sträckan i stafetten där Norge tog guld. Två år senare vid OS 1968 i Grenoble blev han silvermedaljör på 30 kilometer och guldmedaljör i stafetten. Vid VM 1970 i Vysoké Tatry blev det åter två medaljer, silver på 15 kilometer och brons på 30 kilometer. Martinsen var även med i det norska stafettlag som två år senare vid VM 1974 i Falun tog brons. Martinsens sista mästerskap blev OS 1976 i Innsbruck där han körde sista sträckan i det norska lag som slutade på andra plats.