Urodził się w Norwegii. Po zdaniu końcowego egzaminu w Hamar, studiował w średniej szkole muzycznej w Oslo i Szkole Operowej w Sztokholmie. Jego nauczycielami śpiewu byli m.in. Nicolai Gedda, Tito Gobbi i Sir Peter Pears.
Zadebiutował w roli Ferrana w mozartowskiej Cosi fan tutte w Royal Opera House w Sztokholmie i przez kilka sezonów śpiewał tam wiele lirycznych ról tenorowych. W 1986 roku związał się z teatrem w Koblencji (Niemcy), gdzie śpiewał po raz pierwszy rolę Rodolfa w La Boheme Pucciniego, Stewy w Jenufie i Borysa w Katji Kabanovej Janacka, a także został członkiem Musiktheater im Revier w Gelsenkirchen. Na początku 90. lat zadebiutował w Munich Gärtnerplatz-Theatre i Wiesbaden State Theatre. W ciągu ostatnich lat śpiewał gościnnie w różnych niemieckich salach operowych, między innymi takie role jak Don José w Carmen Bizeta, Alfreda w La Traviata Verdiego, Alvaro w La Forza del Destino Verdiego i Pinkertona w Madama Butterfly Pucciniego. Koncerty i produkcje operowe zaprowadziły Toma Martinsena także do Szwajcarii, Austrii i Stanów Zjednoczonych. Często uczestniczy w letnich festiwalach w Wiedniu i Salzburgu.
W sezonie 1991-92 artysta zadebiutował z Semperoper w Dreźnie śpiewając tytułową rolę w Les Contes d'Hoffmann Offenbacha, która to rola była przez kilka lat jego najbardziej błyskotliwym sukcesem na scenie operowej. Tom Martinsen jest stałym członkiem zespołu Drezdeńskiej Opery Państwowej, jest tam owacyjnie przyjmowany także za inne role, np. Ismaela w Nabucco Verdiego, Narrbotha w Salome Straussa, Steuermanna w Latającym Holendrze Wagnera, Walthera w Tannhäuser oraz tytułową rolę w Belszar Haendela, jak również za role w operach XX wieku, takich jak Il Prigionero Dallapiccoli, Lear i Melusine Reimanna. Jego repertuar sceniczny obejmuje także Maxa w Wolnym strzelcu Webera, Macduffa w Makbecie Verdiego i Cavardossiego w Tosce Pucinniego. W latach 1995-98 występował gościnnie na scenie teatru w Bernie (Szwajcaria), gdzie jego role obejmowały Barinkaya w operze The Gispy Baron J. Straussa i Hoffmanna Offenbacha. W Teatro Nacional de Sâo Carlos w Lizbonie pojawił się ostatnio w Borisie Godunowie Mussorgskiego. W 1999 roku nagrał operę Friedenstag R. Straussa pod dyrekcją Giuseppe Sinopoli (Deutsche Grammophon).