К маю 1942г. в составе формировавшегося 4 дальнего разведывательного авиационного полка (командир полка- майор Берман Семен Давидович, военком- батальонный комиссар Артемьев Борис Павлович (с января 1943г. командир полка). На вооружении полк имел самолеты Пе-2, Пе-3, впоследствии,  американские самолеты «Аэрокобра».

К средине января 1943г. совершил 15 успешных боевых вылетов.

Приказом от 28 января 1943г. младший сержант Мартынов был награжден орденом Красной Звезды.

В июне 1943г. полк был преобразован в 98 отдельный гвардейский разведывательный авиаполк. Базировался на аэродроме Курск.

К июлю 1943г. Тимофей Иванович в составе 1 авиаэскадрильи полка (командир эскадрильи гвардии майор Плитка Григорий Саввич).

05 июля 1943г. экипаж: летчик гвардии младший лейтенант Учуватов Иван Павлович, старший летнаб (летчик наблюдатель) гвардии старший лейтенант Шевченко Павел Федорович, воздушный стрелок-радист гвардии сержант Мартынов Тимофей Иванович на самолете Пе-2 вылетел на разведку погоды в район Курск- Брянск- Карачев.

07 июля 1943г. экипаж Учуватов, летнаб гвардии младший лейтенант Блинов Михаил Гаврилович, Мартынов вылетел на разведку войск противника в район д.Глазуновка. За линией фронта у Глазуновки был атакован тремя истребителями противника. Ушел от преследования в район Белгорода, где снова был атакован истребителями и загнан к Харькову, откуда на бреющем полете ушел на свою территорию и совершил посадку в районе Новопетровское. После дозаправки перелетел на аэродром Курск.

16 июля 1943г. экипаж летчик гвардии младший лейтенант Учуватов Иван Павлович, старший летнаб гвардии старший лейтенант Шевченко Павел Федорович, воздушный стрелок-радист гвардии сержант Мартынов Тимофей Иванович на самолете Пе-2 (бортовой номер 14) в 07-00 вылетел на разведку войск противника в район Брянск- Орел. При выполнении задания экипаж вступил в воздушный бой с истребителями противника. Самолет был подожжен. Летчик пытался сбить пламя, перетянул через линию фронта.

Экипаж погиб, был похоронен у д.Белый Колодезь, юго-восточнее г.Дмитриев-Льговский.

В 1952г. останки Тимофея Ивановича были перезахоронены в братской могиле в с.Ново-Першино, Дмитриевский р-н, Курская обл.