Сергей Мартынов родился 25 января 1952 года в небольшом поселке Александровка (Азовский район Ростовской области).
После окончания школы будущий актер поступил во ВГИК.
В 1972 году, будучи студентом, Мартынов дебютировал в кино, сыграв Артура в шпионской картине режиссера Ефима Дзигана «На Севере, на Юге, на Востоке, на Западе».
В 1973 году Сергей окончил Всесоюзный государственный институт кинематографии.
Первая известность пришла к молодому артисту в 1974 году благодаря роли царевица Проши в детском музыкальном фильме режиссера Надежды Кошеверовой «Царевич Проша», который посмотрело более 15 миллионов советских зрителей.
Впоследствии Мартынов сыграл в таких популярных кинолентах, как «Отец и сын» (Григорий Ведерников, подпоручик Белой армии — 1979), «Ларец Марии Медичи» (продавец Виктор Михайлов — 1980), «В небе «ночные ведьмы» (Костя Лазарев — 1981), «Срочно... Секретно... Губчека» (поручик контрразведки Вольнов — 1982), Тревожное воскресенье» (Сергей Лукин — 1983), «Картина (художник Астахов — 1985), «Государственная граница» (1988), «Плащаница Александра Невского» (майор госбезопасности Рогов — 1991), «Солнечный удар» (Френк Беринг — 2002) и др.
Помимо съемок в кино, Мартынов в 1970-е — 1980-е годы Мартынов был очень востребован в дубляже французских и итальянских фильмов. Голосом актера говорят герои таких полюбившихся советским зрителям кинолент, как комиссар полиции («Сиятельные трупы» 1976), Алан Йорк («Фаворит» — 1976), Антонио Мурильо («Жизнь прекрасна» — 1979), президент Н"Жала («Профессионал» — 1981), Генри Роснер («Список Шиндлера» — 1993) и мн. др.
В 1995 году Сергей Мартынов женился на актрисе Ирине Алферовой, роман с которой у актера начался на съемках «Звезда шерифа». Общих детей у пары не родилось, они вместе воспитывали троих отпрысков от предыдущих браков.
Начиная с 2000 года Сергей Мартынов сыграл эпизодические роли в сериалах и фильмах «Тайный знак-3». «Формула счастья» (2004), «Была не была» (2006), «Самоубийцы» (2011) и «Верное средство» (2012), после чего завершил актерскую карьеру.
