Николай Мартьянов — сын виленского лесного объездчика Михаила Мартьянова. Окончил курсы помощников провизоров при медико-хирургической академии в Санкт-Петербурге (1865), курсы провизоров при Московском университете (1872). Работал помощником провизора в аптеках Царского Села, Москвы, Санкт-Петербурга. В 1872 году Мартьянов получил звание провизора и переехал в Казань. Здесь благодаря Казанскому университету, он находит благоприятную почву для реализации своего призвания. Вскоре он стал членом университетского общества естествоиспытателей, выступал с научными докладами на его заседаниях, опубликовал свои первые статьи по результатам самостоятельного обследования местной флоры. Когда он получил предложение минусинского врача А. В. Малинина приехать и поработать в городской аптеке, то почти сразу же согласился.

С 1874 года Мартьянов проживал в Минусинске. Организовал кружок краеведов. Руководил местным музеем (который основал) с 1877 по 1904 гг. Организовал целый ряд научных экспедиций — ботанических (по преимуществу) и этнографических. Мартьянов объехал весь юг Енисейской губернии, Кузнецкий Алатау и Саяны, часть Урянхайского края (ныне — Тува). Собрал этнографическую коллекцию, отражающую быт и культуру хакасского народа. Мартьянов вёл деятельную переписку с П. П. Семёновым, Н. М. Ядринцевым, Г. Н. Потаниным, В. В. Радловым и др.