Родился 12 ноября 1914 году в городе Луганске (Луганская область Украины). С 1 октября 1933 года в рядах Красной Армии, призван Миллеровским ГВК (Ростовская область). В 1934 году окончил 11-ю военную школу лётчиков имени Пролетариата Донбасса (город Луганск). Служил в строевых частях ВВС Киевского военного округа.

С 12 октября 1941 года старший лейтенант Н. А. Мартынов в действующей армии: в должности командира звена 591-го ИАП. Вёл боевую работу по выполнению задач ПВО военных объектов города Курска в составе 52-й АД ДД. С 1 декабря 1941 года полк действовал в составе 61-й САД (ВВС 13-й Армии, Брянский фронт). 1 января 1942 года передан в войска ПВО Территории Страны и приступил к боевой работе в составе 36-й ИАД ПВО (Ряжско-Тамбовский район ПВО), оперативно подчинялась штабу Брянского фронта. До осени 1942 года летал на И-16 и Як-1, с сентября 1942 года - на Як-1 и Як-7. С 15 марта 1943 года выполнял боевые задачи в должности командира 1-й эскадрильи сводного 827-го ИАП (101-я ИАД ПВО), летал на Як-1 и Як-7. 15 мая 1943 года вернулся в 591-й ИАП, летал на Ла-5. 29 июня 1943 года полк вошёл в состав войск Западного фронта ПВО.

В октябре 1943 года назначен штурманом 10-го Ростовского истребительного авиационного корпуса ПВО. С 4 марта 1944 года капитан Н. А. Мартынов командовал 740-м ИАП (8 августа 1944 года переименован в 144-й ИАП). Полк находился в тылу и боевых действий не вёл. С 19 января 1945 года приступил к боевой работе в составе 144-й ИАД ПВО, летая на Як-9 и "Аэрокобре".

К марту 1945 года командир 144-го истребительного авиационного полка (144-я истребительная авиационная дивизия ПВО, 4-й корпус ПВО, Западный фронт ПВО) майор Н. А. Мартынов совершил 226 боевых вылетов, в 26 воздушных боях сбил лично 9 и в составе пары 1 самолёт противника (в последнем наградном листе говорится о 10 личных победах). 5 марта 1945 года полк был исключён из действующей армии и боевой работы больше не вёл.

После окончания войны продолжал служить на различных должностях в ВВС. С 4 октября 1960 года полковник Н. А. Мартынов - в запасе. Умер в 1973 году.

Награждён орденами: Красного Знамени (08.03.1944, 02.07.1944, 05.11.1954), Отечественной войны 1-й степени (06.04.1945), Красной Звезды (15.11.1950); медалями, в том числе "За боевые заслуги" (03.11.1944).