Vejen er opkaldt efter Københavns biskop, Hans Lassen Martensen (1808-1884).
Martensens forgænger i bispeembedet var Jacob Peter Mynster, der har givet navn til den nærliggende Mynstersvej.
På stedet lå indtil 1893 lystejendommen Sans Souci, der blev revet ned og vejene Madvigs Allé og Martensens Allé anlagt på dens jord.
På Martensens Allé 11-15 ligger en lidt utraditionel beboelsesejendom. Den er tegnet i 1895 af arkitekten Anton Rosen (1859-1928) for tømrermester Carl Nielsen. Inspirationen kom måske fra den franske arkitekt Hector Guimards boligbyggeri Castel-Beranger i Paris, der var én af de første Frankrigs første art nouveau-bygninger.