Родился 10 октября 1918 года в Касимовском уезде Рязанской губернии (ныне Касимовский район Рязанской области). Окончил сельскую школу. С 15 июля 1939 года в рядах Красной Армии, призван Касимовским РВК. Окончил военную авиационную школу. Служил в строевых частях ВВС.

С началом Великой Отечественной войны в действующей армии. До ноября 1941 года воевал на Западном фронте в составе неустановленной части. С 10 мая 1943 года - в составе 739-го ИАП (286-я ИАД), где прошёл путь от рядового пилота до штурмана полка. Сражался на Центральном, Белорусском и 1-м Белорусском фронтах. Участник боёв за взятие Берлина и Варшавы. Летал на Ла-5 и Ла-7.

К 9 мая 1945 года заместитель командира эскадрильи, он же штурман 739-го истребительного авиационного полка (286-я истребительная авиационная дивизия, 16-я Воздушная армия, 1-й Белорусский фронт) старший лейтенант Д. Ф. Мартынов совершил 191 боевой вылет, в 25 воздушных боях сбил лично 12 самолётов противника.

После окончания войны продолжал служить в ВВС. В запас вышел в звании капитана. Жил в Таллине, потом переехал в Москву. Умер в июле 1974 года, похоронен на Ваганьковском кладбище.

Награждён орденами: Красного Знамени (31.07.1943, 06.07.1944, 28.02.1945), Отечественной войны 1-й степени (13.12.1943), медалями, в том числе "За боевые заслуги" (15.11.1950).