Родился 23 января 1921 года в деревне Лаговское (Подольский район Московской области). Окончил среднюю школу, в 1938 году - Подольский аэроклуб. С января 1939 года в рядах Красной Армии. В 1940 году окончил Качинское военное авиационное училище лётчиков. Служил на Дальнем Востоке.

С апреля 1943 года лейтенант В. Д. Мартынов на фронтах Великой Отечественной войны в должности лётчика 907-го истребительного авиационного полка особого назначения (148-я истребительная авиационная дивизия ПВО, Северный фронт ПВО), летал на Ла-5. Принимал участие в боях на Курской дуге, Корсунь-Шевченковской и Берлинской наступательных операциях. Сражался на Центральном и 1-м Украинском фронтах.

К маю 1945 года командир звена 907-го ИАП ОН старший лейтенант В. Д. Мартынов выполнил 137 боевых вылетов, в 17 воздушных боях лично сбил 10 (в том числе, 1 - ночью) и в составе пары 3 самолёта противника.

После окончания войны продолжал служить в ВВС. В 1954-1957 гг. находился в спецкомандировках (в качестве советника командира авиационного полка в Польше и ГДР). С 1958 года подполковник В. Д. Мартынов - в запасе. Жил в городе Рязани. Работал механиком в НИИ ГРП. Умер 27 апреля 2007 года.

Награждён орденами: Красного Знамени (06.07.1944), Отечественной войны 2-й степени (11.03.1985), Красной Звезды (11.06.1944, ...); медалями.