生于鄂木斯克，卒于莫斯科。父亲是交通水利工程师，母亲是教师。在鄂木斯克上过4年学。1921年底曾打算进入莫斯科高等美术学校学习，但旋即因生计问题返回家乡，担任多家杂志的通讯记者，经常游历各地。1932年因反革命宣传罪被捕并流放到沃洛格达。在3年流放期间遇到了自己未来的妻子，流放期满后回到鄂木斯克。1942年加入苏联作家协会，1946年起居住在莫斯科。1989年得以平反。

马尔蒂诺夫中学时期就开始写诗，1921年正式走上文学道路，在地方报纸上发表札记。20世纪20年代加入了鄂木斯克的未来主义小组，在小组的文集《未来主义者》上发表诗歌。1930年出版了自己的第一本书——随笔集《粗饲料或秋游额尔齐斯》，主要反映诗人担任通讯记者期间的游历生活。30年代后期创作了大量西伯利亚主题的诗歌，文学知名度逐渐上升并得到K.M.西蒙诺夫的赞扬。卫国战争期间进入鄂木斯克步兵学校，但因健康状况而无法服役，一直在文学领域工作，发表了《为了祖国！》（1941）、《我们会来！》（1943）、《火色》（1943）等诗集。1945年在莫斯科出版诗集《海湾》，次年在鄂木斯克出版诗集《爱尔琴森林》，但是引起评论界的批评和不满，被谴责不关心政治，此后长达9年都被禁止发表作品，直到1955年才得以出版《诗集》一书。随后的诗集《长子继承权》（1965）获1966年俄罗斯联邦国家奖，诗集《双曲线》（1972）获1974年的苏联国家奖。在不能发表自己作品的那段时间，他还大量翻译了英语、法语、意大利语、匈牙利语诗歌。20世纪60～70年代开始撰写回忆录，拟命名为《百章》，但因书报检查制度无法同时完整出版，只好打乱章节顺序分别发表。第一卷《空中护卫舰》于1974年出版，因文风之美和覆盖面之广堪称鄂木斯克19世纪20～40年代的“百科全书”；第二卷《相似之处》发表于诗人去世之后的1982年；其余章节直到2008年才得以全部发表。

马尔蒂诺夫是鄂木斯克文学生活的一面旗帜。从1983年起，鄂木斯克就开始举办“马尔蒂诺夫朗诵会”。在诗人就读过的中学门前刻有纪念浮雕，当地还有以他的名字命名的街道、纪念碑石和市政图书馆等。