Seit 1879 war Martens Professor an der Technischen Hochschule Berlin. Als langjähriger Direktor der Mechanisch-Technischen Versuchsanstalt und seit 1884 Direktor des Materialprüfungsamtes in Dahlem begründete er die Wissenschaft der Material- und Werkstoffprüfung sowie der Metall- und Gefügemikroskopie in Deutschland. Er konstruierte zahlreiche Werkstoffprüfmaschinen. Martens war Mitglied der Akademie der Wissenschaften. Seine Ehrengrab befindet sich auf dem Friedhof Dahlem.