Родился в 1946 году в Москве.
В 1970 году закончил Московскую консерваторию (класс композиции Н. Сидельникова), в 1973 году начал работать в Московской экспериментальной студии электронной музыки. В 1977 году, увлёкшись арт-роком, Мартынов создал рок-группу «Форпост».
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 период с 1979 по 1997 год преподавал в духовной академии Троице-Сергиевой Лавры. Занимался расшифровкой и реставрацией памятников древнерусского богослужебного пения, изучением древних певческих рукописей в ряде монастырей.
Автор музыки более чем к 50-ти телевизионным и кинофильмам, среди которых «Особо опасные…», «Холодное лето 53-го», «Остров», и к ряду мультфильмов («Шкатулка с секретом», 1976, «Серебряное Копытце» 1977). Музыка Владимира Мартынова также звучит в фильмах «Лоро» (2018) и «Великая красота» (2013) итальянского режиссёра Паоло Соррентино.
Написал музыку к театральным постановкам Юрия Любимова, Анатолия Васильева и других.
Один из основателей Центра развития и поддержки новой музыки Devotio Moderna. Участвовал во Всемирной Театральной Олимпиаде (Москва), Фестивале Триалог (Таллин).
С 2005 года ведёт авторский (факультативный) курс музыкальной антропологии на философском факультете Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
Лауреат Государственной премии России (2002).
