Сергей Мартемьянов родился в 1920 году в селе Новопетропавловское, Ново-Петропавловского сельсовета, Курганского района, Курганской области (сейчас село относится к Красноармейскому району, Челбинской области). В семье он был четвёртым по счёту ребёнком у Мартемьяновых Василия Петровича и Матрёны Фёдоровны (Назимовой).
С конца 20-х годов жил и рос в Челябинске. В 1939 году Сергей Мартемьянов ездил учиться в город Томск, откуда в июле прислал свою фотокарточку и на обратной стороне её - письмо. После возвращения работал в ресторане "Арктика" (ул. Кирова, дом 112) заместителем главного повара. 
Призвался Сергей Мартемьянов в 1940 году в Челябинском Главном военном комитете в воинском звании рядовой (красноармеец). Был определён в военную часть № 9, подразделение № 3. Известно по книге памяти Челябинской области также только то, что был в последнем бою 21 октября 1941 года у города Замбров Белорусской ССР (сейчас город на территории Польши). Женат не был, детей не было.