Тяга к театру появилась у Мартинсона очень рано. Будучи учеником пятого класса, он вступил в любительский кружок, сыграл в популярной оперетте главную роль водевильного героя в сатирическом ключе. Годом позже Сергей Мартинсон организовал театральную студию, где в спектакле «Ревизор» исполнял роль Петра Ивановича Добчинского. ‹…› Мартинсон поступил в Петроградский институт сценического искусства, избрав для вступительного экзамена монолог Бориса в царских палатах из трагедии Пушкина «Борис Годунов»:

— Достиг я высшей власти;

Шестой уж год я властвую спокойно.

Высокий, тонкий голос абитуриента, остроносое худощавое лицо, гибкая фигура паяца настолько контрастировали с образом царя Бориса, что члены приемной комиссии дружно расхохотались. А ведь Сергей Мартинсон изначально рассчитывал именно на такое, основанное на эксцентричном несоответствии, комедийное снижение образа. ‹…› На одном из спектаклей «Балаганчика» побывал Всеволод Мейерхольд. Увидев Мартинсона на сцене, он пригласил его в свой театр. Молодой актер, которому импонировала система работы режиссера с актером, согласился и вскоре оказался в Москве. ‹…› Работая у Мейерхольда, он одновременно играл в Театре Революции, выступал и в мюзикхолльных представлениях. К нему довольно быстро пришла слава блестящего мастера театра и эстрады. ‹…› Свои первые роли в кино Мартинсон сыграл у «фэксов» — Г. Козинцева и Л. Трауберга, которых привлекла его, можно сказать, прирожденная склонность к эксцентрической игре. ‹…› Первой значительной работой актера в кино можно считать роль парикмахера Соль в публицистическом памфлете «Марионетки» (1934) режиссера Я. Протазанова. ‹…› В 1936 году Сергей Мартинсон попробовал свои силы в жанре детской киносказки. Его дебют в роли Человека Рассеянного в картине «Приключения Петрушки» режиссера К. Исаева был признан удачным. Но настоящим успехом для актера стала роль Дуремара в фильме А. Птушко «Золотой ключик» (1939). Дети с восторгом приняли этот образ неловкого ловца пиявок, поверив в его особую сказочную реальность.

После «Марионеток» Мартинсона стали всё чаще приглашать в кино, в основном на эпизодические острохарактерные роли. ‹…› Новым успехом Сергея Мартинсона стала роль «композитора» Керосинова, одного из героев кинокомедии А. Ивановского «Антон Иванович сердится» (1941). ‹…› Фильм «Антон Иванович сердится» был закончен 21 июня 1941 года. На третий день после начала войны актера вызвали на киностудию «Союздетфильм» и предложили сыграть на экране… Гитлера. Режиссер Сергей Юткевич приступал к съемкам комедийного фильма «Новые похождения Швейка» (1943), обратившись к жанру народной сатирической сказки. ‹…› Среди множества ролей, сыгранных Мартинсоном, естественно преобладали сатирические или комедийные. ‹…› Слабость драматургии и режиссуры часто лишали талантливого актера возможности создать яркие образы. Поэтому Мартинсон брался порой и за роли другого плана, как, например, это произошло с фильмом «Алые паруса» (1961) режиссера А. Птушко, который неожиданно предложил актеру сыграть положительного героя — угольщика Филиппа в романтической сказке Александра Грина. ‹…› Сергей Мартинсон сыграл более ста театральных и экранных ролей, в том числе множество эпизодических. И всё же, по мнению историков кино, киноведов, актер дал искусству гораздо меньше, чем мог. Под занавес жизни он выступил в роли, о которой мечтал долгие годы, — Князя К. в фильме К. Воинова «Дядюшкин сон» (1967) по Ф. Достоевскому. Фильм стал большой удачей артиста.

Волков А.  Сергей Мартинсон // Актерская энциклопедия кино России / сост., подгот. текстов к печати, вступ. ст., фильмогр. Л. Парфенова. Вып. 1. М.: Материк, 2002.