Martinsen har vært ansatt ved Danmarks sygeplejerskehøgskole, nå Institutt for sygeplejevidenskab ved Århus universitet, og senere ved Avdeling for sykepleie, Universitetet i Tromsø. I 1998 ble hun tilknyttet Lovisenberg diakonale høgskole, og i 2002 ble hun ansatt ved Institutt for samfunnsmedisin, Seksjon for sykepleievitenskap, Universitetet i Bergen. Martinsen har skrevet en rekke bøker og artikler innenfor omsorgsfilosofi, historie og sosialpolitikk.
Martinsen opplevde i sine studiedager herskende teorier om sykepleie som problematiske[trenger referanse] og søkte å omformulere dem. I stedet for fokus på begrepsdefinisjoner og tekniske oppgaver har hun søkt å rette blikket mot hva pleie og omsorg egentlig handlet om. Derfor påbegynte hun studier i filosofi for å finne ut av dette, og hun markerte seg[trenger referanse] som en kritiker av den herskende positivismen, influert av Hans Skjervheim. Utover i hennes karriere har hun lagt større og større vekt på den danske filosofen Knud Ejler Løgstrup. På mange måter er Martinsens tanker på et mer metafysisk nivå enn et rent sykepleie-praksis nivå, men det tar opp grunnleggende problemstillinger som man møter som sykepleier i kontakt med pasienter.
Martinsens utgivelser på 90-tallet ble betraktet som samfunnskritiske, og hun mottok kritikk fra Norsk Sykepleierforbund som oppfordret sine medlemmer til ikke å lese hennes tekster. De utestengte Martinsen fra NSF, men i 1993 ba forbundet offisielt om unnskyldning.[3]
I mars 2013 ble boken "Nødvendige omveier" utgitt i forbindelse med Martinsens 70-årsdag. I boken diskuterer 23 ulike forfattere flere av de temaene som hun har skrevet om i sitt forfatterskap; som omsorgsfilosofi og etikk, kunnskap og dannelse og historie og helsepolitikk.
