Родители внимательно следили за воспитанием своего единственного ребёнка. Когда ему исполнилось семь лет, мальчика отдали в известную на весь город немецкую школу Анненшуле (Училище Святой Анны). Там Сергей, помимо всего прочего, овладел немецким и французским языками, играл в театральной студии, что, вероятно, сказалось на выборе будущей профессии.
Мальчик обожал музыку. Его любимым развлечением являлся патефон, который он эксплуатировал в хвост и в гриву. Часто бывал с родителями на симфонических концертах и в театрах, особенно в Мариинском. Однако больше оперы он любил оперетту. Поэтому неудивительно, что его первый выход на подмостки состоялся в музыкальном спектакле.
Это произошло во время Первой мировой войны, в 1915 году, когда Сергей вместе с другими гимназистами задумал поставить благотворительный спектакль в пользу раненых солдат русской армии. Свой выбор ребята остановили на популярной в то время оперетте «Иванов Павел». В ней рассказывалось о нерадивом гимназисте, панически боявшемся предстоящих экзаменов и убегавшем на фронт, лишь бы увильнуть от этого страшного испытания.
Выделявшийся среди ровесников своей артистичностью Сергей исполнял заглавную роль. Судя по всему, определённый успех у самодеятельного спектакля всё-таки имелся — собранной суммы хватило на полвагона папирос. (Тогда меньше всего думали о том, что курение вредно для здоровья.)
С появлением кинематографа юноша стал постоянным зрителем и там. Десятая муза приобрела верного поклонника.
В 1918 году Сергей окончил гимназию Г. К. Штемберга (куда перешёл из Анненшуле в 1912 году), и его вскоре призвали в Красную армию, там назначили инструктором политотдела. Отслужив, он, по настоянию родителей, поступил в Технологический институт. Однако вскоре понял, что к инженерной работе его совершенно не тянет. А если что и привлекает по-настоящему, так это огни рампы, запах кулис, артистическая деятельность, жизнь, связанная с лицедейством, показом разных характеров, перемещением в другие эпохи. Юноша решил поступить в Институт сценических искусств.
Появился этот институт не на пустом месте. Вскоре после революции, в 1918 году, народный комиссар просвещения Анатолий Васильевич Луначарский подписал постановление об организации Школы театрального мастерства — первого театрального учебного заведения, созданного советской властью. Четыре года спустя школа была объединена с рядом однотипных образовательных учреждений среднего звена в Институт сценических искусств (ИСИ). Под разными названиями (в том числе как Ленинградский государственный институт театра музыки и кинематографии; Санкт-Петербургская государственная академия театрального искусства) институт благополучно существует и по сей день. С 2014 года это Российский государственный институт сценического искусства (РГИСИ).
Весной 1920 года Сергей Мартинсон стал студентом ИСИ. Поступил не без трудностей, которые сам же себе и создал. Дело в выборе «репертуара» — на вступительных экзаменах он прочитал из пушкинской трагедии монолог Бориса Годунова в царских палатах: «Достиг я высшей власти…» Его исполнение сопровождалось гомерическим хохотом членов приёмной комиссии, куда входили корифеи Александринки. Их первой реакцией было возмущение — как можно принимать эдакого фигляра. Тем не менее один из экзаменаторов, опытный режиссёр Николай Васильевич Петров угадал в долговязом юноше актёра. В конце концов Сергея приняли, только предупредили, чтобы он больше не валял дурака, помнил о своём истинном амплуа комика и не замахивался на трагедии. Его стихия буффонада и гротеск. Завет учителей он пронёс через годы.
В отместку сердобольному Николаю Петрову Сергея зачислили именно к нему в класс. Раз всю кашу заварил, пускай теперь сам расхлёбывает. Мастера такой поворот событий не смутил. В дальнейшем Николай Васильевич был всегда доволен Мартинсоном.
Осенью 1920 года, к очередной годовщине Октябрьской революции, Петрова назначили одним из режиссёров массового театрализованного действа — пантомимы «Штурм Зимнего дворца». В многолюдном представлении Николай Васильевич занял всех своих учеников. Мартинсону в этой массовке досталась роль красногвардейца, одного из безымянных участников штурма Зимнего. На него произвело большое впечатление не столько само действие, сколько реакция тысяч петроградских зрителей, собравшихся на Дворцовой площади. Каждую новую картину люди встречали искренним ликованием, подхватывали революционные песни, понравившиеся эпизоды сопровождали аплодисментами. Подобное событие поневоле заставляло задуматься о важности искусства вообще и значимости актёрской работы в частности.