Mårtenson växte upp i ett högmusikaliskt hem; fadern var organist och modern Eini, född Stenfeldt, var sångpedagog. Under fortsättningskriget sändes han som krigsbarn till Helgerums slott i Sverige, men återbördades till Helsingfors 1943. Som ung ägnade sig Mårtenson åt jazz och vann bland annat jazzpianopriset i den nordiska tävlingen Ungdom med ton år 1952. Han utbildade sig till reklamtecknare.
Mårtenson deltog i Eurovision Song Contest två gånger, 1964 som både artist och kompositör till "Laiskotellen" och 1967 som kompositör till "Varjoon – suojaan", framförd av Fredi.
En av Mårtensons mest kända kompositioner är ledmotivet till TV-serien Stormskärs Maja. I sin självbiografi Vågspel: Såsom jag vill minnas beskriver han sitt livsöde.
Studioalbum
Lasse Mårtenson (Sävel 1965, SÄLP 629)
Lasse (RCA Victor 1966, LPM 10071)
Voiko sen sanoa toisinkin (Metronome 1968, MLP 15265)
Kristina & Lasse (Scandia 1968, SLP 523)
Lasse Mårtenson (RCA Victor 1970, LSP 10324)
Lasse Mårtenson (Scandia 1970, HSLP 121)
Lasse Mårtenson / Esko Linnavallin orkesteri: Kesäuni (RCA Victor 1971, LSP 10339)
Lasse Mårtenson laulaa (RCA Victor 1977, YFPL 1-849)