Сергей Мартынов родился 25 января 1952 года в селе Александровка, Ростовской области. В интервью о своем детстве актер практически не распространяется, сообщая только, что сразу после школы отправился покорять столицу необъятной родины.

В Москве Мартынов с первой попытки поступил во Всесоюзный государственный институт кинематографии и стал дипломированным киноартистом. Но сначала зрители познакомились не с обликом молодого актера, а с его голосом. Дело в том, что начинал Сергей как актер дубляжа. Его голосом разговаривали многие прибалтийские, кавказские и среднеазиатские звезды советского кинематографа.

Первыми работами Сергея Мартынова на экране были киноповесть «Абитуриентка» и драма «Всегда начеку!», но роли были не слишком большими и не принесли актеру известности. А вот музыкальная сказка «Царевич Проша» и мелодрама «Концерт для двух скрипок» заставили обратить внимание на этого артиста как маленьких, так и взрослых зрителей.

Карьера Мартынова набирала обороты. Главные роли в семейной драме «Отец и сын», детективе «Братья Рико» и историко-революционной картине «Товарищ Иннокентий» укрепляли его популярность. Но всесоюзную любовь подарили не они, а криминальная остросюжетная лента «Ларец Марии Медичи» и военная драма «В небе «Ночные ведьмы».

Сергей Мартынов много снимался вплоть до развала Советского Союза. Последними картинами того периода стали детектив «Звезда шерифа» и криминальный боевик «Плащаница Александра Невского». Только через 10 лет актер вновь вернулся на съемочную площадку мелодрамы «Лиса Алиса», в которой сыграл атташе по культуре посольства Франции Жерара де Роша. Из последующих работ можно выделить также боевик «Солнечный удар» с Кларой Лучко в главной роли.

Также нужно отметить, что Сергей Мартынов однажды попробовал себя в качестве режиссера. В 2002 году он снял детский мультипликационный сериал «Немного о Страшилке» о приключениях трех необычных друзей - Крота, Летучей мыши и Солнечного Зайчика.