Den 15. mai 2015 underskrev Martinsen en ettårskontrakt med Colorado Avalanche. Etter å ha vært med på klubbens treningsleir i september ble han sendt ned til farmerlaget San Antonio Rampage i American Hockey League (AHL). Martinsen debuterte i november 2015, og ble dermed den åttende norske spilleren til å spille i NHL og den tredje norske spilleren til å spille for Avalanche.