С начала 19 в. творчество Мартоса приобретает в значительной мере также новые черты: он обращается теперь к монументальной скульптуре, причем характерно, терно, что обращение Мартоса к монументальной трактовке тем находит известное отражение и в надгробиях, над которыми он продолжал работать. Надгробие Е. И. Гагариной (1803, бронза; Лазаревское кладбище Александро-Невской лавры) является, в сущности, новым типом надгробного памятника в виде небольшого монумента, представляя собой бронзовую статую умершей, возвышающуюся на круглом гранитном пьедестале.
Еще с 1804 г. начинается долголетняя работа скульптора над созданием для Москвы памятника Минину и Пожарскому, которому суждено было стать не только наиболее значительным произведением Мартоса, но и одним из величайших творений русской монументальной скульптуры. Открытие памятника состоялось в 1818 г., то есть уже после событий Отечественной войны 1812 г.
Сооруженный на Красной площади памятник Минину и Пожарскому представляет скульптурную группу на гранитном пьедестале простой и строгой прямоугольной формы, в которой с двух сторон вделаны бронзовые барельефы. Указуя простертой рукой на Кремль и как бы призывая к спасению отечества, Кузьма Минин вручает князю Пожарскому меч. Внемля призыву Минина, Пожарский принимает меч и, придерживая левой рукой щит, поднимается со своего ложа, на котором он покоился после полученных ранений. Главенствующим образом в группе является, несомненно, Кузьма Минин; его могучая фигура явно доминирует и привлекает основное внимание широким свободным взмахом руки.
Заложенная в памятнике идея гражданского долга и подвига во имя родины как нельзя более отвечала делам и чувствам русского народа. Памятник был установлен против Кремля, несколько ближе к вновь отстроенным после пожара Москвы Торговым рядам (в настоящее время памятник передвинут на новое место и стоит у храма Василия Блаженного).
Как и все почти мастера скульптуры этого времени, Мартос большое внимание уделял непосредственной работе с архитекторами. Еще в конце 18 в. Мартос выполняет ряд скульптурно-декоративных работ в интерьерах Екатерининского царскосельского дворца и дворца в Павловске (в обоих случаях в сотрудничестве с архитектором Ч. Камероном), а в самом начале 19 в. исполняет статую бегущего Актеона для ансамбля Большого каскада в Петергофе. Примером творческого содружества Мартоса с архитекторами являются также монументы, установленные в специально выстроенных зданиях-мавзолеях в парке Павловска: «Родителям» (архитектор Камерон), «Супругу Благодетелю» (архитектор Т. де Томон). В 1804— 1807 гг. Мартос выполняет ряд больших работ для Казанского собора. В числе Этих работ следует отметить монументальную фигуру Иоанна Крестителя и исполненный с большим драматизмом огромный горельеф «Источение воды из камня Моисеем в пустыне».
Среди поздних монументальных произведений Мартоса выделяется художественным качеством памятник Ришелье в Одессе (1823—1828). Мартос стремился подчеркнуть благородную простоту образа. Ришелье изображен облаченным в древнеримскую тогу, его движения сдержанны и выразительны. Примечателен свободный легкий жест правой руки, указывающей на раскинувшийся внизу порт. Памятник прекрасно связан с архитектурным ансамблем: со зданиями, расположенными по полукружию площади, со знаменитой одесской лестницей и приморским бульваром. Хотя в данном случае законченный архитектурный ансамбль площади был осуществлен позже монумента, однако проект этого ансамбля разрабатывался уже в середине 20-х гг. Большинству же поздних произведений Мартоса присуща определенная суховатость (памятник Александру I в Таганроге), подчас усложненность аллегорий (памятник Ломоносову в Архангельске). Меньше, чем прежде, чувствуется живая теплота образа не только в монументальных памятниках, но и в его поздних надгробиях.
За полувековой период преподавания в Петербургской Академии художеств Мартос воспитал не один десяток молодых мастеров. Многие его ученики сами стали прославленными скульпторами. «Фидий девятнадцатого века», как называли его современники, почетный член многих европейских Академий, Мартос является одним из крупнейших представителей не только русской, но и мировой скульптуры этого времени.