Родился в Лионе. Учился в Парижской высшей национальной консерватории музыки и танца у Альбера Русселя (композиция) и Шарля Мюнша (дирижирование). Во время Второй мировой войны был арестован и заключен в тюрьму. В 1946 году возглавил оркестр филармонии Бордо. В дальнейшем был художественным руководителем и главным дирижером таких коллективов, как Израильский филармонический оркестр (1957-1959), оркестр Ламуре (1957-1961), Чикагский симфонический оркестр (1963-1968), Национальный оркестр Франции (1968-1973), Гаагский филармонический оркестр (1975-1976). Наибольший интерес как дирижер проявлял к французской и русской музыке начала XX века. В творческом наследии Мартинона-композитора центральное место занимают его концерты для скрипки и виолончели с оркестром, оратория «Нарцисс Саронский, или Песнь Песней», Четвертая симфония (1965) и др. Умер в Париже.