Martsjuk kom fra en bondefamilie i det sentrale Ukraina. Etter å ha studert ved Kirovohrad utdannelsesinstitutt ble han i 1963 rekruttert for å arbeide i KGB i Kirovohrad og senere i Kiev hovedstaden i sovjetrepublikken Ukraina. Hans tid som etterretningsoffiser i det hemmelige politi strakk seg over en periode på 31 år. Martsjuk har medgitt at han var spesialisert i hemmelig etterretningsvirksomhet men at han var en human og lovlydig agent som i det skjulte beskyttet noen ukrainske dissidenter mot brutal forfølgelse.