Георгий Мартынюк родился 3 марта 1940 года в городе Оренбурге. Несмотря на возражения родителей, после окончания школы он отправился в Москву, чтобы поступить в Российский институт театрального искусства. Вопреки конкуренции, в которой участвовали двести человек на одно место, будущему артисту удалось поступить с первой попытки.
Во время обучения в институте Георгий активно участвовал в учебных спектаклях, включая дипломный спектакль «Проводы белых ночей» под руководством Петра Фоменко. Под патронажем известного режиссёра Андрея Гончарова, управляющего Театром на Малой Бронной, молодой актёр был приглашён в труппу после окончания института в 1962 году, и он оставался в этом театре до конца своей карьеры.
С 1962 года Георгий Яковлевич играл разнообразные роли на сцене театра, часто отличавшиеся комедийным характером. Среди его наиболее известных работ на театральной сцене — роли в спектаклях «Гроссмейстерский балл», «Занавески», «Солдатами не рождаются», «Мать Иисуса», «Жиды города Питера», «Пучина», «Идиот», «Король, дама, валет». Всего за время своей карьеры в театре он сыграл более шестидесяти ролей.
Дебют Мартынюка в кино состоялся в 1962 году в фильме «У твоего порога». Он также снялся в таких фильмах, как «Жили-были старик со старухой», «Метель», «Щит и меч», «А зори здесь тихие», «Тайны дворцовых переворотов». Однако больше всего он запомнился зрителям как следователь Пал Палыч Знаменский в телесериале «Следствие ведут ЗнаТоКи».
Георгий Яковлевич Мартынюк скончался 13 февраля 2014 года в Москве после продолжительной болезни. Его похоронили на Троекуровском кладбище в столице.
