Etter Tysklands kapitulasjon i mai 1945, deltok Martinsen i en mislykket flukt fra Trondheim sammen med andre medlemmer av Rinnanbanden. Han ble arrestert den 14. mai 1945 i Verdalsfjellene etter en serie arrestasjoner av politistyrker. Martinsen ble dømt til livsvarig straffearbeid og sonet i Akershus landsfengsel fra 3. august 1947. Det er ikke kjent når han ble løslatt.