Научные интересы И.В. Мартынова связаны с химией органических и элементоорганических соединений и такими общетеоретическими вопросами химии, как проблемы сопряжения, взаимного влияния атомов и групп в молекулах, стерических эффектов и их связи с реакционной способностью молекул. Результаты работ И.В. Мартынова в области химии фтор- и фосфорорганических соединений выявили новые особенности химического поведения этих соединений и привели к синтезу многих биологически активных веществ. Он предложил и осуществил прогнозирование реакционной способности многих групп биологически активных соединений на основе изучения их физико-химических характеристик.
Значительное число работ И.В. Мартынова было направлено на решение важнейших практических проблем оборонного значения. Под его руководством и при его непосредственном участии создавались прогрессивные технологии отечественной промышленности. Эти работы получили высшую оценку Правительства СССР. Он награжден Ленинской премией в 1972 году и орденом Ленина с присвоением звания Героя социалистического труда в 1974 г.
Иван Васильевич Мартынов зарекомендовал себя как крупный организатор фундаментальных и прикладных исследований и новых химических производств в системе Министерства химической промышленности. С 1961 г. по 1978 г. он был директором ведущего НИИ Минхимпрома СССР – Государственного научно-исследовательского института органической химии и технологии (ГОСНИИОХТ).
Иван Васильевич был первым директором (1978 – 1989 г.г.) Института физиологически активных веществ РАН. Его научному и административному таланту принадлежит главная заслуга в организации ИФАВ РАН и его становлении. Он организовал работу коллектива таким образом, что одновременно со строительством и освоением рабочих площадей Института создавались условия для выполнения научно-исследовательских работ в соответствии с основными направлениями научной деятельности Института. С 1980 г. практически в полном объеме проводились исследования по наиболее актуальным направлениям органического синтеза, физической химии, фармакологии и биохимии физиологически активных веществ для нужд медицины, сельского хозяйства и промышленности с участием в общесоюзных комплексных программах и программах международного научно-технического сотрудничества в рамках работы Совета экономической взаимопомощи. С 1980 по 1989 г.г. Институт в большом объеме выполнял исследовательские работы по закрытым спецтематикам; их результаты заслужили высокую оценку заказчиков.
Среди крупных достижений организованной и руководимой И.В. Мартыновым лаборатории органического синтеза – создание эффективных средств защиты растений и биорегуляторов на основе продуктов деструктивного нитрования галоолефинов в жидкой фазе серноазотными смесями с использованием широкого спектра синтетических производных от этих продуктов, выявление механизма и разработка теории этой реакции. Создание уникального по физиологической активности семейства гаметоцидов, т.е. стерилизаторов мужских половых клеток растений, незаменимого инструмента в работе селекционеров при выделении новых сортов и гибридов хозяйственно полезных растений. Разработка системы корреляционных уравнений для определения поляризуемости химических соединений различных классов по показателям преломления и оценки ожидаемой реакционной способности. Синтез и исследование новых структурных рядов фторорганических соединений двухкоординационного азота и шестикоординационного фосфора на основе реакций гексафторацетона с выходом на уникальные по эффективности и избирательности пестициды.
Четыре препарата различного назначения, разработанные в лаборатории, с успехом прошли государственные регистрационные испытания и были рекомендованы Госхимкомиссией Агропрома СССР к производственному использованию в растениеводстве.
И.В. Мартынов многие годы возглавлял или был членом различных специализированных советов, в том числе в ВАКе, ИФАВ РАН, ГОСНИИОХТ и других организациях.
В связи с истечением срока полномочий директора института с 1989 г. И.В. Мартынов являлся Советником РАН, а в настоящее время является главным научным сотрудником ИФАВ РАН. Иван Васильевич - член Ученого совета ИФАВ РАН.
Под руководством Мартынова И.В. подготовлено более 20 кандидатов наук, в том числе:
1.Иванов А.Н. «Реакции 1,1-дихлор-1-нитрозоалканов с соединениями трехвалентного фосфора. Синтез фосфорилированных алкилхлорформоксимов» ИФАВ АН СССР, Черноголовка, 1987 г.
2.Аксиненко А.Ю. «Синтез и свойства фторсодержащих α-аминоалкилфосфорильных соединений» ИФАВ РАН , Черноголовка, 1989 г.
3.Уваров В.И. «Декарбоксилирование фторсодержащих нитроуксусных кислот и их производных. Превращение продуктов реакции» ИФАВ РАН, Черноголовка, 1989 г.
4.Ляшенко Ю.Е. «Синтез и свойства аддуктов α-дихлорнитрозоалканов и дихлорфосфинов» ИФАВ РАН, Черноголовка, 1990 г.
5.Заворин С.И. «Реакции силилированных амидофосфитов с галогенсодержащими электрофилами. Синтез новых производных N-триметилсилилфосфазенов» ИФАВ РАН, Черноголовка, 1995 г.
6.Соколов В.Б. «N-замещенные имины метилтрифторпирувата и гексафторацетона в циклоконденсации с 1,3-бинуклеофилами» ИФАВ РАН, Черноголовка, 2006 г.
Мартынов И.В. был научным консультантом 6 докторских диссертаций.
Мартынов И.В. является автором более 400 научных работ, из которых 150 – авторские свидетельства на изобретения; некоторые из них внедрены в народное хозяйство. И.В. Мартынов значительное число научных работ выполнил по закрытым спецтематикам.
И.В. Мартынов награжден семью орденами страны, три из которых он получил как участник Великой Отечественной войны: орден Красной звезды, 1944 и 1953 г.г.; орден Отечественной войны 2-ой степени, орден Трудового Красного Знамени, 1966 г.; орден Ленина, 1971 и 1974 г.г.; орден Октябрьской Революции, 1979 г. Во время войны он прошел боевой путь от заместителя командира роты химзащиты до помощника начальника первого отдела Военно-химического управления фронта. Всего он имеет 27 правительственных наград за боевые и трудовые заслуги.
Иван Васильевич имеет несколько почетных званий, в том числе Почетный химик СССР и РФ.