Han startede med at spille fodbold i Valsgård IF 83 og rykkede i ynglingeårene til naboklubben Hobro IK. Her gjorde han sig så meget bemærket at superliga-klubbenViborg FF tilbød ham en 3-årig kontrakt i 2001. Det blev kun til 9. minutter i Superligaen, da han den 21. juli 2001 blev indskiftet da holdet mødte FC København i Parken[2] Sommeren 2003 blev han udlejet til den daværende 2. divisionsklubSkive IK på en 1-årig aftale[3]. Viborg FF ophævede kontrakten med Martin Thomsen i sommeren 2004.
Skive IK (2004-2013)
Efter kontrakten med Viborg FF blev ophævet skiftede han til Skive IK,[4] hvor han spillede frem til januar 2013.
Højdepunktet i Martin Thomsens karriere kom i 2011, da han efter et forrygende forår sluttede 2010/2011-sæsonen af med 12 sæson scoringer, var stærkt medvirken til at Skive sluttede på en overraskende 4. plads i 1. division (fodbold). En præstation som ikke blev overset. Thomsen blev således kåret som årets spiller i 1. division af TV2 Sport foran profiler som Peter Graulund, Stephan Petersen og Simon Makienok Christoffersen.[5]
Hobro IK
På transfervinduets sidste dag den 31. januar 2013 skiftede Thomsen fra Skive IK til sin tidligere klub Hobro IK, der købte ham fri af kontrakten med skibonitterne.[6][7] I sæsonen 2014-15 spillede Martin Thomsen alle 33 kampe med seks mål og to assister til følge.[8]
Silkeborg IF
Den 28. maj2015 blev det offentliggjort, at Silkeborg IF havde hentet Martin Thomsen på en fri transfer og at Martin Thomsen havde skrevet under på en toårig kontrakt.[9][10] Det blev offentliggjort den 16. december2016, at Silkeborg og Thomsen var blevet enige om at ophæve aftalen.[11]
Jammerbugt FC
I januar2017 blev det offentliggjort, at han tiltrådte en stilling som spillende assistenttræner i Jammerbugt FC af et halvt års varighed.[12]
Skive IK (2017-)
Thomsen vendte i sommeren 2017 tilbage til Skive IK, hvor han også spillede i perioden 2004-2013. Her skrev han under på en toårig aftale, hvor han både skulle agere som spiller og indgå i trænerteamet omkring holdet.[13]
^Peter Miles (29. juni 2017). "Martin Thomsen vender hjem til Skive". bold.dk. {{cite web}}: Manglende eller tom |url= (hjælp); Teksten "urlhttp://www.bold.dk/fodbold/nyheder/martin-thomsen-vender-hjem-til-skive/" ignoreret (hjælp)