Martynow początkowo specjalizował się w taksonomii i ekologii owadów z rzędów chruścików i widelnic oraz skorupiaków z rodziny kiełżowatych. Opublikował 25 prac badawczych dotyczących chruścików, głównie ich fauny azjatyckiej. We wczesnych latach dwudziestych XX wieku zaczął interesować się owadami wymarłymi, stając się pionierem na polu rosyjskiej paleoentomologii. W latach 1924–1925 zebrał liczne skamieniałości owadów kredowych, a w 1926 permskich. Opublikował prace w zakresie morfologii owadów, zwłaszcza użyłkowania skrzydeł, z których na szczególną uwagę zasługują The Interpretation of the Wing Venation and Tracheation of the Odonata and Agnatha z 1924 oraz Uber zwei Grundtypen der Flugel bei den Insecten und ihre Evolution z 1925. Podzielił owady uskrzydlone na staroskrzydłe (Palaeoptera) i nowoskrzydłe (Neoptera). Zajmował się filogenezą i systematyką owadów, zwłaszcza Polyneoptera (podgrupy Neoptera) i Palaeoptera. W 1928 przedstawił rezultaty badań nad wymarłymi owadami na IV Międzynarodowym Kongresie Entomologicznym w Stanach Zjednoczonych. Uważał, że badaniami skamieniałości powinni zajmować się specjaliści od współczesnych rzędów owadów.