Բնակավայրի հիմնադրման ժամանակաշրջանը համարվում է մ.թ.ա. 2-րդ հազարամյակ: Մարտունիում և նրա տարածաշրջանում գտնվել են սահմանաքարեր` արամերեն արձանագրություններով, որոնք ընդունված տեսակետի համաձայն վերեաբերում են Արտաշես Առաջինի(Ք.ա. 189-160թթ.) ժամանակաշրջանին:

​

Հնում, որպես Գեղարքունիքի գավառի մի մաս, մտել է Սյունիքի նահանգի մեջ: Այն երբեմն եղել է նաև Այրարատի նահանգի կազմում: Մ.թ.ա. 6-րդ դարից` Ուրարտուի անկումից հետո, Գեղարքունիքի գավառը ընդգրկվել է Երվանդունիների հայկական թագավորության, ապա Արտաշեսյան թագավորության կազմում: Արշակունիների թագավորության անկումից հետո բնակավայրը մտել է Մարզպանական Հայաստանի կազմի մեջ: 9-րդ դարում եղել է Արցախի իշխան Տեր-Սահլ Սմբատյանի իշխանության, ապա Բագրատունիների թագավորության կազմում, 12-րդ դարից` Վերին Խաչենի մելիքների իրավասության ներքո:

​

853թ տարածքը ենթարկվել է արաբական ասպատակություններին: 11-12-րդ դդ. այստեղ գերիշխել են սելջուկ-թուրքերը, իսկ 13-16-րդ դդ. թաթար-մոնղոլները և ակկոյունլու թուրքերը: 1604թ. Մարտունու տարածաշրջանի բնակչությունը Շահ Աբասի կարգադրությամբ բռնագաղթել է Պարսկաստան:

Մարտունու «Գոմեր» կոչվող տարածքում հայտնաբերված խաչքարերը վկայում են այն մասին, որ բռնագաղթից հետո էլ այստեղ կյանքը շարունակվել է: Բնակչության մի մասին հաջողվել է փախչել և պատսպարվել լեռներում ու անտառներում: Մարտունին հնում կոչվել է Մեծ կամ Ներքին Կզնուտ (ՙԿզնուտ՚ անունը պատմական գրականության մեջ հիշատակվում է «վարելահող» իմաստով): Այդ անունը գոյություն է ունեցել մինչև 18-րդ դարի վերջ:

19-րդ դարի կեսերին տեղի ունեցավ բնակչության առաջին շարժն Արևմտյան Հայաստանից դեպի Արևելյան Հայաստան: Հենց այդ ժամանակահատվածին է վերագրվում Մարտունու ներկայիս տարածաշրջանի առաջին ներգաղթը: Մարտունու տարածաշրջանի բնակչությունը եկել է Արևմտյան Հայաստանի Ալաշկերտի գավառի Մանկասար, Մարամուս, Բադնոց, Յոնջալու, Բերդ, Մշո դաշտի Ալվարինջ, Մուշ, Սասուն բնակավայրերից և այլ տեղերից:

1920թ. խորհրդային իշխանության հաստատումից հետո որպես գավառ մտել է Նոր Բայազետի կազմի մեջ: Այնուհետև, նոր ներգաղթողների շնորհրիվ այն վերանվանվել է Ներքին Ղարանլուղ: 1921թ. քաղաքն ի պատիվ պետական և կուսակցական ականավոր գործիչ Ալեքսանդր Մյասնիկյանի` (մականունը` Մարտունի) կոչվել է Մարտունի: 1930թ. սեպտեմբերի 9-ին կազմավորվել է Մարտունու շրջանը` Մարտունի վարչական կենտրոնով: 1936թ. Մարտունին դարձել է քաղաքատիպ ավան, իսկ 1995թ. հանրապետական ենթակայության քաղաք:
Մարտունու գլխավոր հատակագիծը կազմվել է 1966թ. (ճարտարապետներ` Ա. Միրիջանյան և Մ.Սաֆրաստյան):