Мартыненко родился в Краматорске (Украина), получил образование в Московском автодорожном институте и Чешском высшем техническом училище. С 1963 он работает в Институте тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова АН БССР, с 1966 — в качестве заведующего лабораторией и заместителя директора, в 1988—2003 — в должности директора института. Одновременно преподавал в БГУ, заведовал кафедрой теплофизики физического факультета БГУ (1988—1997), являлся главным редактором «Инженерно-физического журнала» (1988—2003).
Мартыненко является инициатором ряда научных программ и проектов в области энергетики, руководитель создания Концепции развития атомной энергетики в Республике Беларусь, возглавляет НПРП «Энергетическая стратегия» Министерства энергетики Республики Беларусь. Среди его учеников — 6 докторов и 37 кандидатов наук.
Научные работы Мартыненко посвящены теплофизике. Получили известность его работы по конвективному теплообмену, распространению лазерного излучения в турбулентной атмосфере (аэротермооптика), вихревому течению жидкости, процессам образования диссипативных структур, переносу тепла и излучения в гетерогенных средах, методам расчёта и создания теплообменных устройств. В 2002 «за разработку научных основ, создание и внедрение новых энергоэффективных тепломассообменных технологий и оборудования для энергетического комплекса и других отраслей народного хозяйства» Мартыненко был удостоен Государственной премии Республики Беларусь.
Мартыненко является автором свыше 100 изобретений и 400 научных работ, среди которых: