На роль Егора, сына Антона Подгородецкого (Константин Хабенский), Дмитрий пробовался на общих основаниях. Мальчика попросили рассказать какую-нибудь страшную историю, и он рассказал фрагмент из фильма «Мумия». Через пару дней после кастинга его утвердили. Однако оказалось, что это лишь начало трудного пути. Дима вспоминает: «Оказалось, что мой персонаж должен уметь плавать. А я даже на воде держаться не мог, на глубину и вовсе боялся заходить. Пришлось срочно записываться в бассейн и учиться. А тут еще мама заставила прочитать книжку «Ночной дозор» и написать по ней изложение. Попарился конкретно!»
Вслед за «Ночным дозором», Тимур Бекмамбетов приступил к съемкам продолжения – «Дневной дозор». Во втором фильме роль Димы разрослась, стала более объемной, содержательной, и юный актер справился с этим блестяще.
Благодаря «Дозорам» Дмитрия Мартынова заметили и стали приглашать в другие картины. Он снялся в эпизодах в популярном сериале «Талисман любви» и в фильме «В плену у времени», а также в роли Тимки в сериале «Мачеха».
Помимо съемок в кино Дима Мартынов участвовал в озвучаниях мультфильмов «Счастливый зуб» и «Полярный экспресс». Его же голосом говорит герой американского кинофильма «Волшебная страна» по «Питеру Пену».