Ранние сочинения Мартынова вдохновлены послевоенным авангардом; пример художественного жеста того времени – пьеса «Охранная от кометы Когоутека» (1973) для двух фортепиано, призванная отвести от Земли опасную комету. После исполнения комета действительно сменила траекторию, и автор сжег ноты, посчитав задачу выполненной. Переломным сочинением стали «Страстные песни» 1977 года, обозначившие уход в «новую простоту», к особенному, для многих – характерно русскому варианту американского минимализма. Написанные после долгого молчания крупные сочинения – «Come In!» (1988), «Апокалипсис» (1991), «Плач пророка Иеремии» (1992), «Ночь в Галиции» (1996) – окажутся и самыми заметными: размашистая репетитивная техника Мартынова прилагается в них к романтической традиции XIX века, григорианскому хоралу, балканскому богослужебному пению, знаменным распевам, древнерусским плачам, архаичному фольклору. После успешного «Апокалипсиса», написанного по заказу кафедрального собора Майнца, пишет ряд «новых сакральных сочинений» по заказу итальянского импресарио Маттео Традарди – «Magnificat», «Stabat Mater», «Requiem», «Canticum fratris solis». «Плач пророка Иеремии» ставит Анатолий Васильев, он же целиком использует мартыновский «Реквием» в своем «Моцарте и Сальери». Еще более плотным оказывается сотрудничество Мартынова с Юрием Любимовым, с которым они сделают вместе около двадцати спектаклей («Шарашка», «Апокалипсис», «Идите и остановите прогресс» и другие). Многие крупные сочинения и проекты Мартынова оказываются синтетическими театрализованными постановками, где на одной сцене объединяются струнный ансамбль Opus Posth и группа «АукцЫон», или, как в случае с «Детьми Выдры» на стихи Велимира Хлебникова (2009), тувинский ансамбль горлового пения «Хуун-Хур-Ту», академический хор «Млада» и тот же Opus Posth.