После смрти римског папе Теодора (642–649), за његовог наследника једногласно је изабран блажени Мартин, 5. јула 649. године. У то време на Истоку је владао Констанс II, унук цара Ираклија. Из тог периода датира управљање византијских царева Римом преко намесника у западним областима Царства.
На Истоку је тада јачала монотелитска јерес (учење о „једној вољи“), која је тврдила да у Христу постоји само једна воља и једно хтење. Ово учење проистекло је из раније Евтихијеве (монофизитске) заблуде да у Христу постоји само једна природа. Насупрот томе, православно исповедање исповеда да у Господу нашем, оваплоћеном Богу, постоје две природе, две воље, два хтења и два дејства – својствени и Божанској и човечанској природи, али у једној личности Христовој. Христос се не дели на два лица, већ се препознаје у двема природама, непомешано сједињеним.
Ова јерес потекла је од александријског патријарха Кира и цариградског патријарха Сергија (610–639), а прихватио ју је и цар Ираклије. Након Сергија, цариградски престо преузели су патријарси Пир и Павле, такође присталице монотелитизма. На подстицај патријарха Павла, цар Констанс II саставио је спис под називом Типос („Образац“), који је садржао монотелитско учење, и наредио да сви морају тако веровати.
Православни који су одбили да се покоре овој царевој наредби претрпели су прогоне, мучења и смрт. Међу њима су се посебно истакли преподобни Максим Исповедник и свети папа Мартин.
Чим је ступио на папски престо, цар му је послао јеретички Типос, захтевајући да га усвоји и саборски потврди. Блажени Мартин је то одлучно одбио, поручивши: „Када би и цео свет прихватио учење супротно правоверју, ја га нећу усвојити, нити ћу одступити од јеванђелског и апостолског учења и предања светих Отаца, па макар ме и на смрт предали.“
Свети Мартин је потом послао изасланике цариградском патријарху Павлу (641–654), молећи га да не уноси раздор у Цркву и да саветује цара да одустане од погрешног учења. Међутим, патријарх Павле је одбио сарадњу: папине изасланике је извргао руглу, претукао их и прогнао у далеке покрајине.
По савету преподобног Максима Исповедника, који се тада налазио у Риму, папа Мартин је 649. године сазвао Помесни сабор у Риму са 105 епископа. На овом сабору осуђене су и анатемисане заблуде Кира, Сергија, Пира и Павла, као и царев спис Типос. Папа Мартин је затим посланицом обавестио верне широм васељене о одлукама сабора, позивајући их да чувају чисту веру.
Сазнавши за одлуке сабора, разјарени цар Констанс II послао је у Рим свог намесника, војводу Олимпија, са задатком да ухвати папу Мартина. Пошто је затекао град пун народа и епископа, Олимпије се није усудио да папу ухапси јавно, већ је ангажовао војника да га тајно убије у цркви.
Међутим, када се наоружани војник приближио светитељу, изненада је ослепео – Господ није допустио да убица подигне руку на Његовог верног слугу. Увидевши Божију заштиту над папом, Олимпије је одустао од намере, отишао на Сицилију у борбу против Сарацена и тамо погинуо.
На подстицај патријарха Павла, цар је потом у Рим послао новог намесника, војводу Теодора Калиопу. Папа је лажно оптужен да је у дослуху са Сараценима, да не исповеда исправно веру и да хули на Пречисту Богородицу.
Блажени Мартин се бранио од ових клевета речима: „Никада нисам имао дослух са Сараценима, осим што сам слао милостињу православној браћи која под њима живе у беди. А ко не поштује и не исповеда Пречисту Богородицу – нека буде проклет. Свету веру не држимо неправилно ми, већ они који умују супротно истини.“
Не уваживши његову одбрану, царев намесник га је оптужио и за наводно незаконито ступање на папски престо. Ноћу 653. године, војска га је тајно ухапсила и одвела на острво Наксос (у Архипелагу Циклада). Тамо је светитељ провео годину дана у заточеништву, изложен глади и оскудици. Када су му локални житељи доносили храну, стражари су је отимали и злостављали их, називајући папу непријатељем државе и јеретиком.
У јесен исте године, тешко болесни папа пребачен је лађом у Цариград. Након што су га читав дан извргавали руглу на пристаништу, затворен је у мрачну ћелију дворца Пандиарија, где је у потпуној изолацији провео 93 дана.
Затим је изведен пред сенаторе у дому сакеларија. Иако није могао да стоји од болести, приморан је да уз помоћ слугу стоји пред судом. Потплаћени сведоци изнели су лажне оптужбе, а када је папа покушао да се одбрани преко тумача, прекинули су га и извређали.
Након тога, изведен је у театар пред окупљени народ, док га је цар посматрао из близине. Царев сакеларије му се наругао речима: „Ето, пошто си оставио Бога, и Бог је оставио тебе“, и наредио народу да га прокуне. Део присутних је викао анатему, док су многи, знајући да је невин, плачући напуштали скуп.
Џелати су му потом свукли горње хаљине, оковали га тешким ланцима и вукли кроз град до судишта, док је испред њега ношен мач. Папа Мартин је тада подносио двоструку патњу: физички бол од болести и рана, и душевну бол због јавног понижења. Изранчављеног су га бацили у тамницу Диомид, где је на великом јануарском мразу био на ивици смрти.
Сутрадан је цар посетио умирајућег патријарха Павла и испричао му о суђењу. Чувши то, патријарх Павле се саблажнио и рекао: „Тешко мени, то је на моју осуду!“, молећи цара да престане са мучењем папе.
Осам дана након смрти патријарха Павла, царски изасланици отишли су у тамницу код светитеља, питајући га да ли се каје. Свети Мартин им је поручио: „Ево, у вашим сам рукама, чините са мном шта хоћете. Али знајте са сигурношћу: макар ме на комаде исекли, нећу имати општење са Цариградском црквом све док она остаје у заблуди.“
Заточеник је потом послат у прогонство у Херсон (на Криму). Исцрпљен глађу, болешћу и оскудицом, свети Мартин се упокојио у Господу 665. године.
Сахрањен је изван града Херсона, у цркви Пресвете Богородице Влахернске. Његов гроб постао је место исцељења за многе болеснике који су се обраћали његовом светом заступништву.