Han fikk sitt internasjonale gjennombrudd i VM 1966, da han var med på laget som vant stafetten (4 × 10 km). Under OL 1968 i Grenoble vant han sølv på 30 km, og var med på laget som tok gull på 4 × 10 km stafett. Han fikk tildelt Holmenkollmedaljen i 1969. Odd Martinsen var medlem av IL i BUL, Oslo, og har 11 NM-gull.