Лауреат всероссийских и международных конкурсов, среди которых конкурс Фонда Гартов (Санкт-Петербург, 1997), Международный конкурс им. Мориса Андре (Париж, 2000), Всероссийский конкурс им. Н.А. Римского-Корсакова (Санкт-Петербург, 2000), Международный конкурс им. Раймо Сармаса (Финляндия, 2002).
Родился в Ленинграде в 1979 году. Окончил Санкт-Петербургскую консерваторию в классе профессора Юрия Большиянова. Прошёл стажировку в Консерватории Люксембурга у Мальте Бурбы (Германия), Йоуко Харьянне (Финляндия), Шарля Консбрука и Романа Зарембы (Люксембург).
В 16 лет дебютировал в Санкт-Петербургском государственном академическом симфоническом оркестре под управлением своего отца, дирижёра Равиля Мартынова. В 2003–2005 годах был солистом Национального филармонического оркестра России. В 2005–2006 годах, по приглашению Теодора Курентзиса, работал в камерном оркестре MusicAeterna и симфоническом оркестре Новосибирского театра оперы и балета.
С 2007 года — солист Симфонического оркестра и Брасс-ансамбля Мариинского театра. Вместе с труппой театра принимал участие в различных гастрольных турах и международных фестивалях, таких как «Роттердам Филармоник — Гергиев фестиваль» (Голландия), фестиваль в Миккели (Финляндия), а также петербургский фестиваль «Звёзды белых ночей». В 2010 году на Московском Пасхальном фестивале и фестивале в Миккели исполнил концерт для трубы Р. Щедрина с оркестром Мариинского театра (дирижёр Валерий Гергиев). В том же году в качестве первой трубы Всемирного оркестра мира участвовал в исполнениях Пятой симфонии Г. Малера на музыкальном фестивале BBC Proms в Лондоне и Зальцбургском фестивале.
Также участвовал в Эдинбургском фестивале, Бетховенском фестивале в Бонне и Дягилевском в Перми. Выступал в самых престижных концертных залах, включая Кеннеди-центр, Метрополитен и Карнеги-холл в США, Концертхаус и Музикферайн в Австрии, Королевский Альберт-холл в Великобритании, Берлинскую филармонию и Гевандхаус в Германии, Тонхалле в Швейцарии, Концертгебау в Нидерландах, Сантори-холл в Японии.
В числе записей Тимура Мартынова — Первый концерт Шостаковича для фортепиано и солирующей трубы с Денисом Мацуевым и оркестром Мариинского театра под управлением Валерия Гергиева (Mariinsky, 2012); партия первой трубы в Шестой симфонии Малера в составе оркестра Дягилевского фестиваля musicaAeterna под руководством Теодора Курентзиса (Sony Classical, 2018).
Проводит мастер-классы в России и за рубежом. С 2019 года преподаёт в Санкт-Петербургской консерватории и Средней специальной музыкальной школе.
С 2018 года является артистом фирмы Schagerl (Австрия).
