Mårtenssons släkt härstammar från Österlen. Han debuterade med novellen Bussen i Metallarbetaren (1963), och samma år i Häpna med novellen Urhemmet. Han blev tidigt aktiv inom science fiction-fandom och publicerade en rad noveller, artiklar och recensioner i Science Fiction Forum utgiven av Skandinavisk Förening för Science Fiction, som han också var medredaktör av tillsammans med John-Henri Holmberg och Mats Linder under sextiotalet. Han har även varit redaktör för det senare (1975, 1992-2002). 1963-65 utgav han det satiriska fanzinet OGRE , samt också i stencil ett fingerat grekiskt drama Korparna (Hoi Korakes) med motiv ifrån science fiction-fandom. Han har varit lektor i vetenskapsteori vid Umeå universitet och är lektor i teoretisk filosofi vid Lunds universitet. Han har utgivit en lärobok i formell logik och varit flitigt verksam som föreläsare och skribent inom vetenskapsteori och etik. Han har också komponerat musik, såväl elektronisk som noterad.
Mårtensson skrev 1966-67 romanen Detta är verkligheten som utgavs i Danmark i översättning av Jannick Storm i april 1968 under titeln Verdener uden graense och av Bonniers i september samma år. Romanen prisbelöntes vid den paneuropeiska SF-kongressen Eurocon 1 1972.Den har även översatts till tjeckiska (Světy bez hranic, Prag 1982). Bertil Mårtensson utgav en serie science fiction-romaner under sjuttiotalet. I Skeppet i kambrium (1974) kolliderar vårt universum med ett annat med en rad märkliga konsekvenser – handlingen utspelas i en framtida rekonstruktion av sjuttiotalets London. Samarkand 5617 utspelas på den avlägsna planeten Vilahall en gång koloniserad av människor, vars liv blivit lekbollar för de strategiska maskiner som vaknat till liv på planetens måne. Jungfrulig planet handlar om människans utnyttjande av andra levande varelser och introducerar en art av intelligenta katter, som återkommer i den senare romanen Det gyllene språnget som är en förhistoria till den tidigare romanen. Deral bågskytt skildrar en ung mans sökande efter livets mening i en värld någonstans efter ett väldigt civilisationsutplånande krig. Mårtenssons parallella tillvaro som filosof märks ganska tydligt i hans litterära böcker.
I slutet av sjuttiotalet utgav Bertil Mårtensson fyra kriminalromaner som utspelas i Malmömiljö, av vilka Växande hot erhöll Expressens Sherlock-pris som 1977 års bästa svenska kriminalroman. 1974 påbörjade han arbetet med det som skulle bli fantasytrilogin Maktens Vägar (I Vägen bort, II Vägen tillbaka, III Vägen ut). Detta verk utkom 1979-83, och i en reviderad och kompletterad upplaga 1997. Verket är mer inspirerat av Tusen och en natt än av Tolkien, och går snarare tillbaka på barndomens fantasivärld omsatt till en vuxenvärld. Även här spelar filosofiska motiv en viktig roll – huvudpersonen Jarel söker sin identitet genom böckerna, medan fursten Vaiz Algaz de Ruin söker såväl kärlek som bot för en kronisk sjukdom. Den vackra Andira som kan byta kön och bli mannen Ander trasslar till sitt eget och andras liv. Och två flertusenåriga bröder Jore och Aulor utkämpar en ständigt pågående strid där Aulor vill återupprätta ett gammalt välde byggt på makt och våld, vilket Jore och hans grupp bekämpar. Böckernas tendens är liberal på gränsen till vänligt anarkistisk och pluralistisk. Världen av troll är inspirerad av John Bauers bilder och nordisk till sin prägel. Berättelsesviten utges vara en serie legender återutgivna för en modern publik – dock i en helt annan verklighet än vår.
Efter Maktens Vägar koncentrerade sig Bertil Mårtensson mer på filosofisk forskning (av främst vetenskapshistorisk och kunskapsteoretisk art), men har även senare publicerat noveller och romaner, senast Vingmästarens dotter (1992) som utspelas på ännu en bortglömd kolonivärld där människor med hjälp av en symbios med lokalt liv utvecklat konsten att flyga – något som dock förbehålls adeln. Konflikten uppkommer när den som vill flyga inte får det av sociala skäl, medan den som av sociala skäl bör flyga inte vill det. Boken handlar således till stor del om självförverkligandets problematik.
Ett antal noveller av Bertil Mårtensson har översatts till italienska, danska, franska, tyska (ryktesvis spanska) och engelska. En novell återfinns i Penguin World Omnibus of Science Fiction utgiven av Brian Aldiss och Sam J. Lundwall.
Anmärkning. En defekt upplaga i pocket av Detta är verkligheten utkom i tidigt 80-tal, så småningom följd av en rättad. Den felaktiga pocketupplagan har omslag av färg och de sista sidorna saknas. Den rättade har rött omslag. Romanen kan läsas på nätet hos Projekt Runeberg (den är dock fortfarande copyright-belagd).
Bertil Mårtensson var gift 1971–2005 med författaren Bodil Mårtensson. De har en son tillsammans. Han har varit ordförande i Skånes författarsällskap och i Skånska Deckarsällskapet.