В сентябре 1941 года назначен на должность командира 340-й стрелковой дивизии, формировавшейся в городе Балашов. После окончания формирования дивизия под командованием Мартиросяна в ноябре того же года была передислоцирована в район Тулы, после чего во время битвы за Москву принимала участие в боевых действиях в ходе Тульской оборонительной и наступательной, Калужской наступательной операций и вскоре была выведена в резерв. После пополнения дивизия участвовала в ходе Воронежско-Ворошиловградской, Воронежско-Харьковской, Острогожско-Россошанской, Воронежско-Касторненской операций и Третьей битвы за Харьков, а также в освобождении городов Острогожск, Старый Оскол, Белгород, Тростянец, Ахтырка и Гадяч.