Владимир Мартынов родился в 1946 году в Москве. Окончил Московскую государственную консерваторию имени П. И. Чайковского по классу композиции в 1970 году у Николая Сидельникова и по фортепиано – в 1971 году у Михаила Межлумова.

Собирал и исследовал фольклор, объездил с экспедициями различные районы России, Северный Кавказ, Центральный Памир, горный Таджикистан. С 1973 года работал в Московской экспериментальной студии электронной музыки, где реализовал ряд электронных композиций.

В 1975–1976 гг. участвовал как исполнитель на блокфлейте в концертах ансамбля старинной музыки, исполняющего произведения Италии, Франции, Испании XIII–XIV веков. Играл на клавишных в рок-группе «Форпост», тогда же создал рок-оперу «Серафические видения Франциска Ассизского» (исполнялась в Таллине в 1978 году). Вскоре решил посвятить себя религиозному служению, в 1979–1997 гг. преподавал в духовной академии Троице-Сергиевой Лавры. Занимался расшифровкой и реставрацией памятников древнерусского богослужебного пения, изучением древних певческих рукописей. В 1984 году вернулся к композиции.

Автор ряда книг, среди которых «Автоархеология», «Время Алисы», «Конец времени композиторов», «Пение, игра и молитва в русской богослужебнопевческой системе», «Культура, иконосфера и богослужебное пение Московской Руси», «Пестрые прутья Иакова», «Казус Vita Nova». Поводом для появления последней стала мировая премьера оперы Мартынова Vita Nova, представленной в концертном исполнении под управлением Владимира Юровского (Лондон, Нью-Йорк, 2009).

Среди крупнейших произведений Мартынова – «Илиада», «Страстные песни», «Танцы на берегу», «Войдите», «Плач Иеремии», «Апокалипсис», «Ночь в Галиции», «Магнификат», «Реквием», «Упражнения и танцы Гвидо», «Распорядок дня», «Листок из альбома». Автор музыки к ряду театральных постановок и нескольким десяткам мультипликационных, кино- и телефильмов, среди которых «Михайло Ломоносов», «Холодное лето пятьдесят третьего», «Николай Вавилов», «Кто, если не мы», «Раскол». В 2013 году выступил одним из соавторов новой музыкальной редакции оперы «Князь Игорь» Бородина (постановка Юрия Любимова).

Среди исполнителей музыки Мартынова – Татьяна Гринденко, Леонид Фёдоров, Алексей Любимов, Марк Пекарский, Гидон Кремер, Антон Батагов, Светлана Савенко, Ансамбль Дмитрия Покровского, «Кронос-квартет». С 2002 года в Москве проходит ежегодный фестиваль Владимира Мартынова.

Лауреат Государственной премии Российской Федерации (2002).