Etter at den tyske okkupasjonsmakten hadde oppløst det norske forsvaret i 1940, gikk Marthinsen inn i politiet. Her steg han raskt i gradene og ble etter hvert sjef for hele det norske sikkerhetspolitiet med tittel av politigeneral. Han rapporterte direkte til politiminister Jonas Lie. Statspolitiet ble dannet våren 1941 på grunnlag av overvåknings- og utrykningspolitiet. Fra januar 1944 var ikke statspolitiet en egen avdeling, men tett vevd sammen med kriminalpolitiet i sikkerhetspolitiets avdeling II og Marthinsen ble med den sentrale lederen i politiet nest etter Jonas Lie selv.