В 1938 году поступил в Военную академию химической защиты имени К. Е. Ворошилова.

С октября 1941 года воентехник 2-го ранга Мартынов в должности начхима 238-й стрелковой дивизии участвовал в боях под Москвой, был ранен. После госпиталя продолжал службу в тыловых частях Калининского фронта, преподавал на курсах младших лейтенантов. В 1942 году вступил в ВКП((б). Со временем добился возвращения на передовую. К лету 1944 года подполковник Мартынов был помощником начальника отдела военно-химического управления 1-го Белорусского фронта.

В августе 1944 года был отозван на Высшие академические курсы в Москву. Здесь встретил день Победы. В июне победного 1945 года как хорошо знающий французский язык, был определён на военно-дипломатическую службу в Отдел протокола и связи Советской военной администрации в Германии. Занимался там «французским направлением».

В 1951 году 30-летний Иван Васильевич Мартынов стал самым молодым полковником химических войск СССР. Участник Великой Отечественной войны, он прервал обучение в Военной академии химзащиты в 1941 году, прошел путь от заместителя командира роты до помощника начальника химслужбы, а после Победы завершил академию как военный инженер-химик.

Послевоенная карьера Мартынова была связана с наукой: он защитил докторскую диссертацию, возглавил ГосНИИ органической химии и технологии (17 лет директором), а в 1978–1989 гг. руководил Институтом физиологически активных веществ (ИФАВ) в Черноголовке. Автор более 400 работ и 150 изобретений, его исследования в области фтор- и фосфорорганических соединений способствовали созданию биологически активных веществ для медицины, сельского хозяйства и промышленности.

Лауреат Ленинской премии (1972, за разработку промышленного метода получения и освоение технологии производства зомана). Удостоен звания «Почётный химик СССР».

Указом Президиума Верховного Совета СССР («закрытым») от 3 апреля 1974 года за выдающиеся успехи в выполнении специального задания Правительства СССР Мартынову Ивану Васильевичу присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот».

Награждён 2 орденами Ленина (20.04.1971; 03.04.1974), орденами Октябрьской Революции (25.12.1979), Отечественной войны 2-й степени (11.03.1985), Трудового Красного Знамени (28.05.1966), 2 орденами Красной Звезды (в том числе 29.06.1944), медалями.

С 2018 по 2023 гг. — старейший член-корреспондент РАН.
Умер в мае 2023 года в возрасте 104 лет.
В 2024 году в ИФАВ РАН открыта мемориальная доска в его честь.

Памятные публикации:

Научная Россия: ПОЗДРАВЛЯЕМ И БЛАГОДАРИМ ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН ИВАНА ВАСИЛЬЕВИЧА МАРТЫНОВА (07.05.2020)

Российская Академия Наук: Избранные труды И.В. Мартынова в области органической химии. Москва, 2020. (Включает в себя Очерк жизни и деятельности член-корреспондента АН СССР Ивана Васильевича Мартынова.)

ТАСС, энциклопедия: Мартынов, Иван Васильевич

ВК, РГА в Самаре: Ко дню памяти выдающегося химика