Det ble vedtatt i et ekstraordinært styremøte mandag 8. april.
– St. Olavs hospital står hjertet mitt nær. Jeg blir inspirert av nye utfordringer, og sykehuset har de beste forutsetninger for å møte både dagens og de kommende endringer og utfordringer, sier Martinsen i en pressemelding.
Martinsen kjenner sykehuset godt, da han kommer fra stillingen som viseadministrerende direktør ved St. Olav.
Han er utdannet lege, er spesialist i indremedisin og fordøyelses- og leversykdommer, og har en medisinsk doktorgrad fra NTNU.
Den nye toppsjefen har jobbet ved St. Olav siden 2002 og har hatt ulike lederstillinger siden 2013.