Окончил Киевский национальный университет театра, кино и телевидения им. И.К.Карпенко-Карого, курс Ю.Ф. Высоцкого. После окончания университета уроженец Крыма влился в труппу Нового драматического театра на Печерске, а через год начал сотрудничество с театральной компанией «Бенюк и Хостикоев». На экране Мартынов дебютировал в мелодраме «Небо в горошек», в которой снялись такие российские звезды, как Сергей Степанченко и Марина Александрова. В 14-серийном детективе «Золотые парни» Денис сыграл Никиту Кмита в молодости; образ персонажа в предпенсионном возрасте создал Владимир Горянский. Интересно, что актер Виктор Сарайкин воплотил своего героя Василия Родионова и в юности, и в зрелости. В украинской адаптации колумбийской мыльной оперы La Ex «Бывшая» Мартынов перевоплотился в Валика. Так же звали персонажа Дениса и в мелодраматическом сериале «Доярка из Хацапетовки. Вызов судьбе» и его продолжении «Доярка из Хацапетовки — 3». В драме «Мотыльки», рассказывающей о чернобыльской катастрофе через призму любви солдата Павла Державина и 17-летней девушки Али, ученику Юрия Высоцкого досталась роль безымянного дозиметриста. В образе компьютерного гения Прокопенко Мартынов впервые предстал в 2013 году в первом сезоне «Нюхача». В программистов актер перевоплощался также в сериалах «Я люблю своего мужа» (сюжетно напоминающем оперетту «Летучая мышь») и «Другая». Роли сотрудников правоохранительных органов доставались Мартынову в многосерийных лентах «Прокуроры» и «Ментовские войны. Одесса». В военной саге «Офицерские жены» Денис убедительно сыграл еврея Фиму Гольцмана. Эту традицию актер развил в мелодраме «Чудо по расписанию» — Мартынов перевоплотился в Мишу Гольдмана, а роли его матери и бабушки исполнили Ирина Калашникова и Анна Варпаховская. Образы центральных персонажей в ленте создали Сергей Стрельников и Екатерина Молчанова.