В 649 году он стал епископом Римским, тогда как правящий император Конста был приверженцем монофелитской ереси. Император велел новому епископу принять монофелитство, но получил от него не только твердый отказ, но и проклятие: в 653 году святитель Мартин собрал поместный собор из западных епископов, на котором монофелитское учение было проклято.
Разъяренный император приказал своему военачальнику Олимпию арестовать святителя Мартина. Олимпий прибыл в Рим, где еще продолжались заседания собора, и, не решившись действовать в отрытую, велел одному из своих военных убить святого Мартина прямо в церкви. Воин спрятал меч под одеждой, но когда на глазах у Олимпия подошел к святому, вдруг ослеп. Пораженный Олимпий не тронул святого и не исполнил императорский приказ, - впоследствии он был убит на войне в Сицилии.
Тогда император Конста послал другого военачальника, Федора Каллиопа, чтобы тот заточил епископа в тюрьму по ложному обвинению в еретичестве. Не слушая никаких оправданий святого Мартина, Каллиоп ночью арестовал его и на корабле отправил на Цикладские острова, где святой пробыл в заточении целый год, перенося пытку голодом. Власти не разрешали даже приносить ему еду. А у тех, кто все же приносил узнику пищу, ее отнимали стражники, обвиняя сострадавших мученику в пособничестве врагу отечества.
В 654 году истерзанного мучениями и очень больного святителя Мартина привезли в Византию, для суда над ним, и после долгих издевательств приговорили его к смерти. Полураздетого, в разорванной одежде святого поволокли в преторию, перед ним несли обнаженный меч. Процессию сопровождала толпа народа, одни плакали, а другие глумились: «Где есть Бог его, где учение веры его?».
В претории святого заточили в темницу, где от холода и кровоточащих ран он едва не умер. Только жена стражника пожалела мученика и тайно взяла его к себе в дом. В это время скончался патриарх Павел, когда-то причинивший святому Мартину немало зла. Перед смертью, раскаявшись в своих злодеяниях, он просил императора ослабить страдания мученика и не тронуть его. Тогда по приказу императора святого не казнили, а на корабле отправили его в Херсонес, в Инкерманские каменоломни, где вновь мучимый голодом, он прожил еще два года. В сентябре 655 года святой Мартин умер и был погребен во Влахернской церкви за городом Херсонесом (Севастополем). У его гробницы произошли чудесные исцеления, а потом святые мощи мученика были перенесены сначала в Константинополь и затем в Рим, где обрели покой в храме святого Мартина Турского.