Estudià composició amb A. Roussel i V. d’Indy, i direcció amb Ch. Münch i R. Désormière, al Conservatori de París. Durant la Segona Guerra Mundial passà dos anys al camp de concentració alemany Stalag IX, on compongué diverses obres de caràcter religiós, entre les quals Absolve domine, per a cor d’homes i orquestra (1940), Musique d’exil ou Stalag IX, per a orquestra de jazz (1941), i Psalm 136 (Chant des captifs), per a recitant, solistes, cor i orquestra (1942). Després d’ésser alliberat, inicià una carrera de director que el dugué de l’Orquestra de Concerts Pasdeloup (1943) a l’Orquestra Nacional de Ràdio França (1968-74). També dirigí fora del seu país i estigué al capdavant de l’Orquestra Simfònica d’Israel (195759) i de l’Orquestra Simfònica de Chicago (1963-69). El llenguatge compositiu de Martinon és clarament neoclàssic i el seu catàleg inclou gèneres tan variats com la música orquestral, l’òpera, la música de cambra, peces per a piano i cançons.