I 1933 meldte han seg inn i Vidkun Quislings fascistiske parti Nasjonal Samling (NS). Han ble etter hvert kjent med Jonas Lie. Lie var på denne tiden sjef for utrykningspolitiet og var i Finnmark på grunn av vinterkrigen mellom Finland og Sovjetunionen. Marthinsen skal sammen med Lie ha forhørt personer som de mistenkte for å være spioner. Han overvåket på denne tiden personer antatt for å være kommunister. Marthinsen var på denne tiden blitt løytnant og etterretningsoffiser ved staben til forsvarssjefen i Øst-Finnmark, og ble snart utnevnt til kaptein.