Сергей Александрович Мартинсон родился 6 февраля 1899 года в Петербурге.
В 1923 году окончил Институт сценических искусств в Петрограде.
Выступал в эстрадных театрах Петрограда — «Вольная комедия» и «Свободный театр», затем театрах Революции (1924—1941), имени Мейерхольда (1925—1938), в Мюзик-холле (1933—36). С 1945 года — в Театре-студии киноактёра.
Снимался в 72 художественных фильмах, озвучил 9 мультфильмов, выступал в концертных программах.
Народный артист РСФСР (1964).
Умер 2 сентября 1984 года.