Fra 2007-2010 var han leder for StatoilHydro sin globale leteforskningsvirksomhet, og vant og fra American Association of Petroleum Geologists (AAPG). Fra 2011-2014 var han seniorrådgiver i Statoil. Siden 2014 har han vært sjefgeolog og direktør for letegeologi i Statoil. Martinsen har jobbet globalt med geologi både på overflaten og i undergrunnen, på norsk sokkel, i Europa, Nord-Amerika, de afrikanske og sør-atlantiske marginer, samt i Asia og stillehavsregionen. Han har ledet utviklingen av fagfeltet Source-to-Sink. Martinsens hovedinteresser faglig ligger i å sette sammen helhetlige geovitenskapelige modeller og hvordan eksterne drivmekanismer som klima, tektonikk og havnivåendringer styrer geologiske systemer i nåtid, nær fortid og ikke minst i jordens eldre perioder.