Родился 22 августа 1959 г. в Горьковской (ныне Нижегородской) области.
В 1982 г. окончил Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина (ныне Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого) по специальности "инженер-механик", в 2002 г. - Северо-Западную академию государственной службы (ныне филиал РАНХиГС) по специальности менеджер". В 2007 г. получил специальность юриста в Юридическом институте (Санкт-Петербург).
Кандидат юридических наук. В 2011 г. в Юридическом институте МВД РФ защитил диссертацию на тему "Нормативно-правовое регулирование института государственного присутствия (российский и зарубежный опыт)".
В 1982-1984 гг. служил в Вооруженных силах СССР.
С 1985 по 2000 г. работал в Комитете государственной безопасности СССР, Министерстве безопасности РФ, Федеральной службе контрразведки РФ, Федеральной службе безопасности РФ.
В 2000-2003 гг. - начальник отдела кадровой политики и государственных наград аппарата полномочного представителя президента РФ в Северо-Западном федеральном округе. Пост полпреда в эти годы последовательно занимали Виктор Черкесов и Валентина Матвиенко.
В 2003-2010 гг. - начальник управления кадров и государственной службы администрации губернатора Санкт-Петербурга Валентины Матвиенко.
С 2010 по 2014 г. возглавлял управление кадров службы организационно-кадровой работы Федеральной службы безопасности РФ.
С марта 2014 г. по октябрь 2019 г. - руководитель аппарата Совета Федерации Федерального Собрания РФ.
7 октября 2019 г. депутаты Госсобрания Марий Эл VII созыва наделили Сергея Мартынова полномочиями члена Совета Федерации (сенатора), представителя от законодательного органа власти республики. С 9 октября 2019 г. - первый заместитель комитета СФ по обороне и безопасности.
Действительный государственный советник РФ II класса.
Награжден орденами Почета (2014), Александра Невского (2018), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2009).