Родился Леонид Николаевич Мартынов в Омске в семье техника путей сообщения. Любовь к поэзии пришла к Мартынову после знакомства со стихами Маяковского, позже он назвал второй любовью стихи Блока.
Ещё не закончив среднюю школу, Мартынов активно сотрудничал в трёх омских газетах: «Рабочий путь», железнодорожной - «Сигнал» и «Сибирском воднике». Первые стихи были напечатаны в 1921 году.
В качестве корреспондента газет и журналов Мартынов в 1920–1930-е годы объездил Сибирь и Среднюю Азию. В 1930-е опубликовал большой цикл поэм, посвящённых историческому прошлому России: «Рассказ о русском инженере», «Тобольский летописец», «Сказка про атамана Василия Тюменца» и другие.
В 1932 году был арестован по обвинению в контрреволюционной пропаганде, административную ссылку провёл в Вологде. В 1942 году был принят в Союз писателей СССР.
В 1946 году переехал в Москву. В декабре 1946 года в «Литературной газете» вышла разгромная статья Веры Инбер о книге стихов «Эрцинский лес». После резкой критики и «проработки» в Москве, Омске и Новосибирске тираж книги был уничтожен, и доступ к печати закрылся на девять лет.
Первая книга после вынужденного простоя вышла в 1955 году. Книга «Стихи» была «первым поэтическим бестселлером» после войны, сразу стала редкостью.
Мартынов много занимался переводами поэзии с английского, французского, итальянского, польского и других языков. Его перу принадлежат также сборник корреспонденций и очерков «Трудный корм», автобиографическая повесть «Воздушные фрегаты», книга о литературном труде - «Пути поэзии».
В 1980 году в возрасте 75 лет Леонид Мартынов скончался.
