Родился 21 сентября 1900 года в селе Матраса Шемахинского уезда Бакинской губернии, в семье священника. Армянин. Член ВКП(б)/КПСС с 1925 года. Окончил сельскую школу и духовную семинарию.
Служил в Красной Гвардии. В Красной Армии с 1920 года. Участник Гражданской войны. Окончил Курсы Усовершенствования Командного Состава в 1925 и 1928 годах. Участвовал в освободительном походе советских войск в Западную Украину 1939 года.
На фронтах Великой Отечественной войны с июня 1941 года. Командовал стрелковой дивизией, корпусом на Южном, Западном, Брянском, Воронежском, 1-м и 2-м Украинских фронтах. Принимал участие в оборонительных боях первого периода войны на Западной Украине, в битве под Москвой, в Острогожско-Россошанской операции, в Курской битве, в освобождении Украины, Ясско-Кишинёвской, Нижнее-Силезской, Берлинской и Пражской операциях.
73-й стрелковый корпус (52-я армия, 1-й Украинский фронт) под командованием генерал-майора Мартиросяна С. С. отличился в Сандомирско-Силезской наступательной операции.
21 января 1945 года, прорвав оборону противника, корпус освободил польские города Хмельник (13 января), Велюнь (19 января), Ёльс (Олесница, 25 января) и к 28 января подошёл к городу Бреслау (Вроцлав), уничтожил большое количество боевой техники, солдат и офицеров противника.
За умелое командование корпусом, образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецко-фашистским захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм Указом Президиума Верховного Совета СССР от 29 мая 1945 года генерал-майору Мартиросяну Саркису Согомоновичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 6068).
После войны продолжал службу в армии. В 1947 году он окончил Высшие Академические курсы при Военной академии Генерального штаба. С 1953 года генерал-лейтенант Мартиросян С. С. — в запасе. Жил в столице Армении — городе Ереване. Скончался 15 февраля 1984 года.
Награждён четырьмя орденами Ленина, четырьмя орденами Красного Знамени, двумя орденами Суворова 2-й степени, медалями, иностранным орденом.
Именем Героя названа улица в Киеве, где он был первым послевоенным начальником гарнизона города. В начале улицы ему установлена мемориальная доска.
Почётный гражданин городов Сумы, Велюнь, Вроцлав.