Tony Mårtensson begann seine Karriere bei den Arlanda Wings, für die er in der von 1996 bis 2000 zunächst drei Jahre lang in der schwedischen Division 1 und schließlich eine Spielzeit lang in der HockeyAllsvenskan aktiv war. Anschließend wechselte der Angreifer zu Brynäs IF, für den er zwei Jahre lang in der Elitserien auf dem Eis stand. In dieser Zeit wurde er im NHL Entry Draft 2001 in der siebten Runde als insgesamt 224. Spieler von den Mighty Ducks of Anaheim ausgewählt. Von 2002 bis 2004 spielte der Schwede hauptsächlich für deren Farmteam, die Cincinnati Mighty Ducks aus der American Hockey League. Einzig in der Saison 2003/04 erzielte er zwei Scorerpunkte, darunter ein Tor, in sechs Spielen für Anaheim in der National Hockey League.
Im April 2015 gewann er mit dem SKA Sankt Petersburg erneut den Gagarin-Pokal. Anschließend verließ er den Verein und wechselte zum HC Lugano in die SchweizerNational League A.[1] Während er in seiner ersten Saison dort nach Startschwierigkeiten noch ein wichtiger Leistungsträger[2] war, konnte er diese Leistungen in der Saison 2016/17 nicht erneut zeigen[3] und verließ den Verein im April 2017 in Richtung Linköpings HC.[4]
International
Für Schweden nahm Mårtensson im Juniorenbereich an der U18-Junioren-Europameisterschaft 1998 und U20-Junioren-Weltmeisterschaft 2000 teil. Bei den Senioren war er bei den Weltmeisterschaften 2006, 2007, 2008, 2009 und 2010 aktiv. Bei der U18-Junioren-Europameisterschaft 1998 und Weltmeisterschaft 2006 wurde Mårtensson mit seiner Mannschaft Weltmeister. Bei den Weltmeisterschaften 2009 und 2010 gewann er jeweils Bronze.
(Legende zur Spielerstatistik: Sp oder GP = absolvierte Spiele; T oder G = erzielte Tore; V oder A = erzielte Assists; Pkt oder Pts = erzielte Scorerpunkte; SM oder PIM = erhaltene Strafminuten; +/− = Plus/Minus-Bilanz; PP = erzielte Überzahltore; SH = erzielte Unterzahltore; GW = erzielte Siegtore; 1Play-downs/Relegation; Kursiv: Statistik nicht vollständig)
