В 1970 закончил Московскую консерваторию (класс композиции Н.Сидельникова). В 1973 начал работать в Московской экспериментальной студии электронной музыки. Увлекся арт-роком: в 1977 году создал рок-группу Форпост, затем — группу Бумеранг. Увлечение электроникой и рок-музыкой соединилось у Мартынова с углубленным изучением восточных религий и культур, христианской философии Запада и Востока. Он предпринял ряд фольклорных экспедиций в различные районы России, на Северный Кавказ, в Центральный Памир, горный Таджикистан. Изучал музыку и музыкальное теоретизирование европейского Средневековья и Возрождения. В 1975—1976 участвовал в концертах Ансамбля старинной музыки (блок-флейта), исполнявшего европейскую музыку XIII—XIV веков. В 1976—1977 Мартынов годах выступает в составе Московского ансамбля солистов (фортепиано, электронные клавишные), исполнявшего авангардную, электронную и минималистскую музыку (Кейдж, Штокхаузен, Лигети, Райли, Фелдман, Сильвестров, Пярт), а также музыку западноевропейского Средневековья. В 1976—1978 в творчестве композитора произошел перелом, от авангарда он стал двигаться к новой простоте.
В 1978 Мартынов прекратил композиторскую деятельность. С 1979 он преподаёт в духовной академии Троице-Сергиевой Лавры. Занимался расшифровкой и реставрацией памятников древнерусского богослужебного пения, изучением древних певческих рукописей в ряде монастырей.
В 1984 Мартынов вернулся к музыкальному сочинительству, для которого характерна теперь осознанная тяга к канону. В музыкальной теории развивает идею «конца времени композиторов», а вместе с ним — исчерпание эстетики авторства, стилистики концертного исполнительства, культа «звёзд» и т. п. Владимир Мартынов — автор музыки более чем к 50 телевизионным и кинофильмам, среди которых «Михайло Ломоносов», «Холодное лето 53-го», «Николай Вавилов», «Смиренное кладбище», «Русский бунт», «Остров».
Пишет также музыку к театральным постановкам Ю. Любимова, Анатолия Васильева и др.
Мартынов — один из основателей Центра развития и поддержки новой музыки Devotio Moderna. Участвовал во Всемирной Театральной Олимпиаде (Москва), Фестивале Триалог (Таллин). С 2003 активно занялся мультимедийными проектами и инсталляциями. Осуществил ряд проектов с Д. Приговым, Л. Рубинштейном, а также рок-группой АукцЫон, Л. Фёдоровым.
