Martens spielte zu Beginn seiner Theaterlaufbahn das klassische Theaterrepertoire des jugendlichen Liebhabers. In den letzten Jahren wandte sich Martens verstärkt auch dem Boulevardtheater zu. So spielte er 2003 am Fritz-Remond-Theater in Frankfurt am Main, 2005 an der Komödie am Kurfürstendamm in Berlin und 2007 am Stadttheater Bern.
In zwei Folgen der Fernsehreihe Tatort ermittelte Martens an der Seite von Günter Lamprecht als Berliner Kommissar Gerber. In weiteren Produktionen der Reihe spielte er in Episodenhauptrollen mit.
Martens wurde im deutschen Fernsehen anfangs häufig in der Rolle des attraktiven Schönlings und Gigolos eingesetzt. Später übernahm er die Bösewichter in Krimiserien und entwickelte sich zum sensiblen und differenzierten Charakterdarsteller. Besonders oft wird er in der Rolle des Künstlers eingesetzt.