Martirosow trat nach seinem Abschluss am Moskauer Luftfahrtinstitut Sergo Ordschonikidze im Jahr 1959 in das Suchoi-Design-Büro ein. Zunächst arbeitete er im Vorentwurf und war bis 1962 an der Entwicklung der Konzeption von Su-15 und Su-7B beteiligt.
Später arbeitete er unter anderem an einem Entwurf für einen Senkrechtstartbomber, der aber nicht realisiert wurde. 1985 wurde er zum technischen Leiter der Arbeiten zur Aufstellung von Weltrekorden auf der P-42 (Sonderausführung der Su-27) ernannt, die in 27 Bestmarken gipfelten, von denen ein Großteil bis heute nicht überboten wurde.
1991 übernahm Rollan Gurgenowitsch Martirosow den Posten des Chefkonstrukteurs des Su-34-Frontbombers und war dabei auch für die Überführung in die Serienproduktion im Flugzeugwerk in Nowosibirsk zuständig. Unter seiner direkten technischen Leitung wurden die wichtigsten technischen Lösungen der Su-34 entwickelt und umgesetzt.
Die ersten beiden Produktions-Su-34 wurden 2006 an die russische Luftwaffe übergeben. Am 20. März 2014 wurde die Su-34 durch ein Dekret der Regierung der Russischen Föderation offiziell in Dienst gestellt. Das Flugzeug stellte sieben Weltrekorde durch russische Piloten auf, die bisher nicht gebrochen wurden.
Durch den Erlass des Präsidenten der Russischen Föderation von 2017 wurde Martirosov für seine besonderen Verdienste um Staat und Volk mit dem goldenen Stern des Helden der Arbeit der Russischen Föderation ausgezeichnet. Er erhielt auch den Alexander-Newski-Orden und den Freundschaftsorden.
