Воспитанник свердловских школ «Спартаковец» и «Юность». В сезонах 1981—1983 выступал за свердловский «Автомобилист», вызывался в юниорские и молодёжные сборные СССР. В 1984 году выступал за московский ЦСКА. В 1985—1991 гг. — игрок «Автомобилиста». После распада СССР выступал за границей, в 1992 году — за словенскую «Олимпию», а с 1993 по 1995 гг. — за немецкие «Кёльнер Хайе» и «Ратинген». В 1995 вернулся в «Автомобилист», однако сезон закончил в магнитогорском «Металлурге». В 1997—1999 гг. — игрок ЦСК ВВС (Самара).
Работал тренером самарского ЦСК ВВС, тюменского «Газовика», воскресенского «Химика», екатеринбургского «Автомобилиста». С ноября 2011 по май 2012 был исполняющим обязанности главного тренера «Автомобилиста». В марте 2013 года назначен главным тренером красноярского «Сокола», покинул команду в апреле 2015 года.
В 2015 году — главный тренер «Южного Урала» (Орск). Главный тренер хабаровского «Амура» в 2016—2018 годах. Главный тренер екатеринбургского «Автомобилиста» в 2018—2020 годах. 9 апреля 2021 года назначен главным тренером новосибирской «Сибири». В апреле 2023 года клуб принял решение не продлевать соглашение с Мартемьяновым[1]. В мае 2023 Мартемьянов возглавил хабаровский «Амур»[2]. В феврале 2024 года клуб сообщил о продлении контракта до 2025 года[3]. 28 октября 2024 года клуб сообщил о досрочном расторжении контракта с Мартемьяновым[4].
