werd 19 Augustus 1808 te Flensburg in het hertogdom Sleeswijk geboren. Zijn vader, die zich in deze stad als schipper gevestigd had, was een intelligente man, wat vooral blijkt uit de onderscheidene boeken, die hij geschreven heeft over zeevaart- en hand elskunde.
Deze werken vervaardigde de vader Martensen in zijn Deensche moedertaal, (hij was oorspronkelijk uit Noord-Sleeswijk afkomstig), en dit was de reden, waarom hij naar Denemarken vertrok en zich in 1817 te Kopenhagen vestigde. Daar genoot de jonge Martensen zijn verdere opleiding.
Hij studeerde theologie, en reeds spoedig bleek zijn buitengewone aanleg. Na in 1832 het candidaatsexamen in de theologie afgelegd te hebben, deed hij een studiereis naar het buitenland; bezocht Berlijn en Parijs; kwam in aanraking met de coryphaeën der wetenschap van die dagen en vond alle gelegenheid om zijn rijke gaven te ontplooien.
In 1837, na zijn terugkeer in Denemarken, behaalde hij den licentiaatsgraad; voorts trad hij op als privaatdocent in de theologie; werd in 1838 tot lector en in 1840 tot hoogleeraar benoemd aan de universiteit te Kopenhagen. Hij doceerde de systematische vakken : dogmatiek, ethiek, symboliek, de nieuwere wijsbegeerte, en ook de exegese van enkele Nieuw-Testamentische boeken.
Als hoogleeraar oefende hij zeer grooten invloed ; hij wist de studenten aan zich te binden door zijn bezielende voordracht, zijn klare betoogen, zijn schoone stijl en zijn warm woord, en niet alleen boeide hij de studeerende jeugd, maar hij verzamelde ook om zich een grooten kring van ontwikkelden op allerlei gebied, en was het middenpunt van het intellectueele leven in Kopenhagen. In 1845 werd hij benoemd tot hofprediker, en in 1854 tot bisschop van Seeland, de hoogste functie in het Deensche kerkelijk leven, waarin hij den bekenden J.
P. Mynster opvolgde.
Als bisschop van zijn kerk heeft hij zeer veel gedaan voor het kerkelijk leven van zijn dagen.
Niet alleen gaf hij door zijn theologische geschriften leiding aan de beschouwing en de bespreking van de brandende vragen van zijn tijd, maar hij wierp zich ook met alle toewijding op de fundeering en nadere organisatie van het kerkelijk leven, dat hij met vaste hand bestuurde.
Door zijn groote kennis en krachtig optreden steeg zijn invloed voortdurend, en alle richtingen waren hiervan overtuigd, dat het hoogste ambt in de kerk van Denemarken toevertrouwd was aan een man, die èn over de liefde èn over de kracht beschikte om de kerk naar buiten te verdedigen en innerlijk op te bouwen. Hij wijdde zich vooral aan de prediking en aan de kerkvisitatie.
Tal van preekbundels werden door hem uitgegeven, waarin hij telkens weer Christus aan de gemeente zocht voor te stellen, terwijl hij bij de kerkvisitatie allen nadruk legde op de catechisatie. Hij heeft in de laatste maanden van zijn leven nog een aanvang gemaakt met een catechismusverklaring voor de jeugd, maar hij is niet verder gekomen dan enkele voorbereidende aanteekeningen.
Voorts was hij als bisschop van Seeland de voornaamste raadsman van de Deensche regeering in kerkelijke aangelegenheden, en hij heeft dan ook al zijn krachten aangewend voor een betere organisatie van het kerkelijk leven. Dertig jaren bekleedde hij de bisschoppelijke waardigheid.
Ten slotte gevoelde hij, dat zijn krachten hem niet langer toelieten deze functie te vervullen ; hij vroeg en verkreeg ontslag, en korten tijd daarna is hij (3 Februari 1884) gestorven.Martensen mag met recht een van de reformatoren van de Deensche Luthersche kerk genoemd worden. Deze kerk was, evenals de kerken van andere landen, langzamerhand geheel en al gekomen onder den invloed van het rationalisme, en het scheen, alsof het ongeloof de orthodoxie geheel zou verdrijven. Een der voornaamste aanhangers van het rationalisme in Denemarken, zij het dan in gematigden zin, was de hoogleeraar Clausen, die in 1825 een werk schreef over de tegenstelling tusschen het Catholicisme en Protestantisme, waarin hij het laatste met het rationalisme vereenzelvigde. Tegen deze richting en tegen de versteening van de kerk ontwaakte krachtige reactie. De predikant Grundtvig bond den strijd tegen Clausen aan, en in die worsteling trad ook Martensen aan zijn zijde. Zelf behaalde hij in dit opzicht over Clausen de overwinning, dat in de bovengenoemde bisschopsvacature, waarvoor Clausen en hij in aanmerking kwamen, de keuze niet viel op zijn ouderen collega, maar op hem.
Doch niet alleen is hij in dezen zin reformatorisch opgetreden, dat hij tegenover het rationalisme opkwam voor het Christelijk geloof in zijn positieve beteekenis, maar hij was ook in den vollen zin des woords een kerkelijk man, die gelijk boven reeds is gemeld, met alle kracht geijverd heeft voor den bloei van het kerkelijk leven en met hart en ziel, in de lijn van zijn voorganger, voorstander was van een kerkelijk Christendom. Hij leefde voor zijn kerk en verschilde vooral hierin van een man als Sören Kierkegaard, den 'buitengewonen subjectivist, die, behalve ook op andere punten, hierin zijn scherpe tegenstander was. Kierkegaard met zijn subjectivisme en individualisme moest van een „kerkelijk Christendom” niets hebben, en op dit punt heeft hij eerst Mynster en later Martensen scherp bestreden. Zelfs vormde hij een grooten kring, die zich tegenover Martensen's kerkelijk standpunt stelde. — Ook is Martensen van groote beteekenis geweest voor de theologie. Hij heeft behalve zijn dissertatie, die handelde over de autonomie van het menschelijk geweten, geschreven een Christelijke Dogmatiek en een Christelijke Ethiek, en andere geschriften. Deze staan op Luthersch standpunt en dragen het kenmerk van de Vermittlungstheologie.
Deze Vermittlungstheologie is de richting, die met allen ernst een oplossing heeft gezocht van het probleem van de verhouding tusschen gelooven en weten. Zij nam eenerzijds met Schleiermâcher haar standpunt in het bewustzijn, in het geloof, in de belijdenis der gemeente, en legde allen nadruk op de subjectieve gemeenschap met Christus. Maar zij verbond met dit standpunt de speculatieve methode van Hegel, om daardoor het geloof tot weten te verheffen, en op deze wijze in plaats van de autoriteit buiten ons het zelfstandig, redelijk inzicht ten troon te verheffen. Zij kon zich met de empirische kennis van den inhoud van het Christelijk bewustzijn niet tevreden stellen. Zulk een kennis was immers geen wetenschap. Niet alleen het dat van de Christelijke waarheden, maar ook het hoe en waarom moesten begrepen worden.
Men zocht daarom aan het z.g.n. gezagsstandpunt te ontkomen en streefde er naar om het Christendom als absolute waarheid in zichzelf te doen rusten. De voormannen van deze richting waren Richard Rothe, J. A. Dorner, Jul. Millier en ook Martensen. Hij „draagt aan het wedergeboren bewustzijn de taak op om uit zijn eigen diepten de leer der Schrift en der kerk wetenschappelijk te reproduceeren.” Voor hem is vooral Christus het middenpunt van het heelal, en alle wijsheid en schoonheid in deze wereld moeten Christus dienen.
Tegen zijn dogmatische opvattingen zijn dan ook alle bezwaren in te brengen, die wij tegen de Vermittlungstheologie aanvoeren, en ook bij hem vinden we telkens, b.v. in de leer van de triniteit en van de deugden Gods, dat de speculatie het geloofsstandpunt verdringt. Martensen is vooral bekend door zijn Ethiek. Hij is een van de beste ethici, en zijn werk behoort tot de standaardwerken op dit terrein. In dit werk heeft hij o.a. een breede plaats ingeruimd voor de sociale Ethiek, waarin hij echter te sterk den nadruk legt op het sociale element en het individueele te veel achter het sociale terugdringt. Wel is het zijn verdienste, dat hij het transcendentaal karakter van het koninkrijk Gods handhaaft. Tegenover allen, die dit rijk Gods willen vereenzelvigen met het rijk der humaniteit, dat zijn hoogste doel heeft in de cultuurtaak van den mensch, houdt hij hieraan vast, dat het koninkrijk der hemelen een eigen, van de aardsche dingen onderscheiden karakter heeft.
Het mag niet identiek beschouwd worden met de ontwikkeling der cultuur. Deze is van deze aarde; zij heeft slechts een voorbereidende beteekenis; de gedaante dezer wereld gaat voorbij, maar het rijk Gods ontplooit zijn vollen rijkdom in het rijk der heerlijkheid.