Георгий Яковлевич Мартынюк родился 3 марта 1940 года в Оренбурге. После окончания школы, несмотря на возражения родителей, он отправился в Москву поступать в Государственный институт театрального искусства – и при конкурсе 200 человек на место поступил с первого раза.
На последнем курсе Георгий много играл в учебных спектаклях. Один из них – «Проводы белых ночей», дипломный спектакль Петра Фоменко (он учился в ГИТИСе на режиссерском факультете), – прогремел на всю Москву. Он ставился под патронажем руководителя Московского драмтеатра (ныне известного как Театр на Малой Бронной) Андрея Гончарова. Режиссер пригласил молодого актера в свою труппу, и по окончании в 1962 году института Мартынюк стал актером Московского театра на Малой Бронной и остался верен ему до конца своих дней.
В театре Георгий Яковлевич играл самых разнообразных персонажей, нередко характерных и комедийных. Среди его театральных работ – роли в спектаклях: «Гроссмейстерский балл» (1967), «Занавески» (1978), «Солдатами не рождаются» (1985), «Мать Иисуса» (1989), «Жиды города Питера» (1991), «Пучина» (1993), «Идиот» (1995), «Король, дама, валет» (2001) и других. Всего на сцене любимого театра он сыграл более 60 ролей.
Дебют Мартынюка в кино состоялся в 1963 году в картине Владимира Басова «Тишина». Он снимался также в фильмах «Жили-были старик со старухой» (1964), «Метель» (1964), «Щит и меч» (1968), «А зори здесь тихие» (1972), «Тайны дворцовых переворотов» (2000–2008) и других картинах. Но больше всего зрителям он запомнился как следователь Пал Палыч Знаменский – один из трех главных героев телесериала «Следствие ведут ЗнаТоКи».
В 2002 году во время презентации сериала «Следствие ведут ЗнаТоКи. 10 лет спустя» Георгий Мартынюк получил почетный знак «За содействие МВД России». За свои работы в театре и кино актер был также награжден Орденом Дружбы, ему были присвоены почетные звания заслуженного артиста РСФСР и народного артиста Российской Федерации.
Георгий Мартынюк был дважды женат. Со своей второй женой Ниеле он познакомился в больнице, где она работала врачом. Вместе они прожили 30 лет.
Георгий Мартынюк скончался 13 февраля 2014 года в Москве после продолжительной болезни, был похоронен на Троекуровском кладбище столицы.
