Сергей Мартинсон родился 25 января (6 февраля) 1899 года в семье почётного гражданина Санкт-Петербурга шведского происхождения Александра Александровича Мартинсона и русской дворянки Феодосии Александровны (урождённой Петровой). Отец Мартинсона, по различным источникам, был известен как инженер-строитель, торговец недвижимостью и фабрикант. Семья проживала в особняке на Миллионной улице в Санкт-Петербурге, где собиралась культурная элита города, включая выдающегося композитора Александра Скрябина, близкого друга отца.
Сергей с детства посещал ведущие театры Петербурга и увлекался музыкой. После окончания частной гимназии он поступил в Красную армию в 1918 году, но спустя два года, по настоянию родителей, начал учебу в Технологическом институте, а затем перевелся в Институт сценических искусств, который успешно завершил в 1923 году.
Мартинсон начал свою карьеру в эстрадных театрах Петрограда и затем работал в кино и на сцене различных театров, включая Театр Революции и Мюзик-холл. Он также неоднократно выступал в труппе Театра Мейерхольда и снимался в фильмах под режиссурой известных кинематографистов, таких как Всеволод Пудовкин, Яков Протазанов, Сергей Юткевич и другие.
Мартинсон был известен как выдающийся комедийный актёр, мастер пантомимы и буффонады. Его творчество часто сравнивали с искусством Чарли Чаплина.
Он ушел из жизни 2 сентября 1984 года в Москве и похоронен на Кунцевском кладбище.
