Родился 23 января 1921 года в деревне Лаговское (Подольский район Московской области). Окончил среднюю школу, в 1938 году - Подольский аэроклуб. С 5 января 1939 года в рядах Красной Армии, призван Подольским РВК. В 1940 году окончил Качинскую военную авиационную школу пилотов. Служил на Дальнем Востоке (в составе 18-го ИАП).

С апреля 1943 года лейтенант В. Д. Мартынов в действующей армии: в должности лётчика 907-го ИАП ОН (148-я ИАД ПВО, Северный фронт ПВО), летал на Ла-5. Сражался на Центральном и 1-м Украинском фронтах. Принимал участие в боях на Курской дуге, Корсунь-Шевченковской наступательной операции. 15 апреля 1945 года полк перебазировался в Германию (аэродром Ландсберг), осуществляя охрану объектов 1-го Белорусского фронта.

К 9 мая 1945 года командир звена 907-го истребительного авиационного полка Особого назначения (148-я истребительная авиационная дивизия ПВО, 5-й Корпус ПВО) старший лейтенант В. Д. Мартынов совершил 137 боевых вылетов, в 17 воздушных боях сбил лично 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 12 апреля 1958 года подполковник В. Д. Мартынов - в запасе. Жил в городе Рязань (административный центр Рязанской области). Работал механиком в НИИ ГРП. Умер 27 апреля 2007 года.

Награждён орденами: Красного Знамени (02.07.1944), Отечественной войны 2-й степени (11.03.1985), Красной Звезды (11.06.1944, 30.04.1954); медалями, в том числе "За боевые заслуги" (20.06.1949).