Martinsen spilte som ungdom for Lillestrøm Sportsklubb, men meldte i 1931 overgang til klubben Fram som var organisert i Arbeidernes Idrettsforbund. Han spilte 21 landskamper for AIF-landslaget. I 1936 gikk han tilbake til Lillestrøm SK og kunne dermed spille for Norges Fotballforbunds «offisielle» . Han fikk til sammen 25 landskamper for NFF-landslaget, og scoret 10 landslagsmål.