Но и на этот раз палачи попросили императора прекратить пытки, т.к. они сами получали ответные удары от невидимых ангелов. Святую заключили в тюрьму. На следующий день император послал за ней трибуна Лимения, который не смог привести Мартину во дворец. Войдя в темницу, он почувствовал сильное благоухание и увидел Мартину на троне в окружении мужей в белых одеждах. Деву с трудом вывели из темницы и доставили к храму Артемиды, чтобы там она принесла жертву. Когда Мартина вошла в храм, обитавший в нём демон издал крик; по молитве святой раздался гром, заблистали молнии, с неба снизошёл огонь, который истребил жрецов и многих других находившихся в храме язычников, а статуя Артемиды рухнула. Император Александр Север отдал Мартину префекту Юстину, который повелел изранить тело мученицы мечами и вырвать ей сосцы железными крюками, а затем бросить в темницу. На другой день святую привели в цирк и бросили на растерзание огромному льву. Зверь не причинил деве вреда и вместо этого умертвил сановника Евмения. Мартину заключили на два дня в темницу, после чего вновь привели в святилище и за отказ принести жертву идолам подвергли новым мучениям: её тело раздирали железными крюками, затем Мартину бросили в огонь, однако начался сильный дождь, и пламя погасло, а многие присутствовавшие при пытках язычники погибли. После этого Мартине остригли волосы на голове, т.к. решили, что в них заключается её магическая сила, и заперли в храме Зевса. Войдя в храм на третий день, император, жрецы и народ увидели поверженную статую Зевса и Мартину, сидевшую на троне в окружении хора ангелов, вокруг трона царило дивное благоухание. Тогда император приказал привести Мартину на городской форум и обезглавить. Епископ Риторий (Реторий) и римские священники взяли останки Мартины и с почестями похоронили в саркофаге из оникса; место погребения, называемое «Чудесный сад», находилось в шестом регионе Рима на Остийской дороге. В тот же день император Александр Север, терзаемый скорбью, «словно бешеный пёс, стал пожирать свою плоть» и взывать к Богу, раскаиваясь в убийстве Мартины. Он умер в страшных мучениях, а в Риме все услышали глас с небес, осуждавший правителя на вечные муки, после чего 2030 жителей города уверовали во Христа. Согласно альтернативной концовке Мученичества, епископ Риторий, скрывавшийся от преследования язычников в катакомбах, нашёл при помощи некоего христианина тело Мартины, которое охраняли два орла, и похоронил его. Впоследствии на месте погребения святой был построен храм в её честь (aedes Martinae honori sacra). По указанию епископа (папы) Антера (235–236 гг.) мощи Мартины и мучеников Конкордия и Епифания были перенесены в Рим и похоронены в некоем саду, где впоследствии они были обретены. По мнению П. Франки де Кавальери, мученик Конкордий – это священномученик Конкордий Сполетский, память которого в средневековых мартирологах отмечена под тем же числом, что и память Мартины (1 января).