Era el quinto de siete hermanos, cuando tenía seis años falleció su padre y poco después su madre los abandonó.

En 1929 se casa con la famosa novelista sueca de temas proletarios Moa Martinson, catorce años mayor que él.

En este mismo año publica su primer libro Spökskepp (Barco fantasma), un libro en el que abundan los poemas sobre el mar, inflluenciado por The Seven Seas (Los siete mares, 1896) de Rudyard Kipling y los trabajos de Dan Anderson.

En 1932 publica Resor utan mål (Viales sin rumbo) y Kap Farväl, dos libros en prosa en los que Martinson reflejará su experiencia marinera.

Una vez finalizada la guerra, en 1940 publica Verklighet till döds (Realidad a muerte), en la que describe sus impresiones negativas tras asistir al Congreso de Escritores de Moscú en 1934 y su experiencia y postura crítica en la guerra ruso-finlandesa.

Esta obra se desarrolla en una prisión para mujeres nobles, situada en la frontera de China.

En 1971 se publica Dikter om ljus och mörker (Poemas sobre luz y oscuridad), y dos años después Tuvor (Matorrales), una colección de poemas sobre la Naturaleza, especialmente sobre los abetos, el árbol favorito de Martinson.