В Рабоче-крестьянской Красной армии с мая по сентябрь 1918 года и с марта 1922 года. Участник гражданской войны. С мая 1918 года воевал красноармейцем-телефонистом в 3-м Бакинском батальоне 1-й отдельной бригады против турецких войск в районе Ахалцих. В сентябре 1918 году уволен в запас (в приказе об увольнении — отправлен в долгосрочный отпуск)[2].
После гражданской войны в марте 1922 года вновь призван в РККА. Красноармеец Г. О. Мартиросян служил в частях особого назначения в городе Эривань[2]. В 1922 году переехал вместе с семьёй из Баку в Эривань[3].
В 1924 году Г. О. Мартиросян в составе 1-го Армянского стрелкового полка участвовал в подавлении меньшевистского восстания в Манглисе и Душетском районе в Грузии. В 1925 году окончил военно-политические курсы Отдельной Кавказской Краснознамённой армии[2][3]. В 1926 году вступил в ВКП(б)/КПСС[1].
В сентябре 1931 года направлен на разведывательные курсы при 4-м управлении Штаба РККА, по окончании которых с апреля 1932 года служил помощником начальника 1-й части, а затем начальником 2-й части в штабе 48-й стрелковой дивизии[2].
В боях за Ржев осенью 1942 года сильно контужен. С августа 1942 года находился на излечении в госпитале. С конца декабря по июнь 1943 года обучался в Высшей военной академии РККА им. К. Е. Ворошилова. С июня 1943 года — начальник кафедры пехоты Военной академии РККА им. М. В. Фрунзе. 1 сентября 1943 года присвоено звание генерал-майор. С марта 1944 года — начальник курса этой академии[2][3].
После войны с января 1946 года генерал-майор Г. О. Мартиросян находился в распоряжении Главного управления кадров НКО СССР, затем в мае того же года был назначен командиром 89-й стрелковой дивизии[6]. За годы его командования дивизия была одной из передовых в округе. По оценке Героя Советского Союза генерал-майора А. В. Казарьяна, служившего под его командованием, в лице Г. О. Мартиросяна «мы видели высокообразованного, опытного, интеллигентного, строгого и заботливого командира, крупного теоретика и практика, одного из лучших методистов по обучению и воспитанию войск»[3].
Именем Г. О. Мартиросяна названы улица и переулок в городе Узловая Тульской области (июнь 2020), улица в Новомосковске (ноябрь 2021);
1 августа 2020 года в городе Узловая Тульской области открыт мемориальный комплекс генерал-майору Красной армии, командиру 239-й стрелковой дивизии Гайку Мартиросяну и воинам его дивизии.
↑Дата смерти 15 марта 1995 года указана согласно свидетельству о смерти и надгробному памятнику на кладбище Еревана. В других источниках некорректно указана дата 15 апреля 1995 года, например: Մարտիրոսյան Հայկ Հովհաննեսի(арм.). historyofarmenia.am. Дата обращения: 17 июня 2015. Архивировано 17 июня 2015 года.
Мартиросян Гайк Оганесович // Коллектив авторов. Великая Отечественная: Комкоры. Военный биографический словарь / Под общей редакцией М. Г. Вожакина. — М.; Жуковский: Кучково поле, 2006. — Т. 1. — С. 354—355. — ISBN 5-901679-08-3.
Коллектив авторов. Великая Отечественная: Комдивы. Военный биографический словарь. Командиры стрелковых, горнострелковых дивизий, крымских, полярных, петрозаводских дивизий, дивизий ребольского направления, истребительных дивизий. (Ибянский — Печененко). — М.: Кучково поле, 2015. — Т. 4. — С. 731-733. — 330 экз. — ISBN 978-5-9950-0602-2.