Исследователи не исключают, что местное почитание Мартирия активизировалось после чудес, которые произошли рядом с его погребением. В Мартирьевской паперти на гробницах Мартирия и архиепископа Симеона, умершего в 1421 г., «явися кровь» в 1462 г. Это событие воспринималось позднее как предвозвещение грядущего завоевания города великим князем Иваном III Васильевичем в 1471 г. Исследователи полагают, что развитие иконографии Мартирия в чине святителей совпадает с почитанием Новгородских святых, почивающих в соборе Святой Софии. В новгородском месяцеслове, составленном графом Михаилом Владимировичем Толстым и напечатанном в 1862 г., имени Мартирия нет, но указаны праздники 10 февраля и 4 октября как дни общей памяти всех угодников, святителей и князей, покоящихся на территории кафедрального собора. На иконах собора новгородских святых образ Мартирия исследователи встречают уже с XVIII в., например, на прориси с иконы «Образ новгородских чудотворцев» (XVIII в.) из собрания Андрея Михайловича Постникова – во втором ряду в правой группе, между владыками Пименом и Александром. Мартирий в клобуке, у него округлая и окладистая борода. На иконе «Собор всех святых Новгородских угодников» из алтаря церкви апостола Филиппа в Великом Новгороде (конец XIX – начало XX вв.) Мартирий во втором ряду справа, в белом клобуке, голубой епитрахили с красными крестами, красном саккосе, правая рука положена на грудь, левая поднята в молении, у святого широкая недлинная седая борода. На хромолитографии с тем же названием, отпечатанной в типографии Ефима Ивановича Фесенко в Одессе (1902 г.), Мартирий стоит в первом ряду, как один из древнейших владык Великого Новгорода; держит на левой руке закрытое Евангелие, правая приложена к груди. Он седой, длинные белые волосы лежат по плечам, борода закрывает грудь. На нём святительская митра с украшениями, красная фелонь, белый омофор, синий подризник, на правом боку – палица. К этой иконной композиции, по мнению исследователей, восходит и образ Мартирия на иконе «Собор Новгородских святых» из местного ряда иконостаса нижнего придела церкви апостола Филиппа в Великом Новгороде (1960 гг.). Святитель стоит в первом ряду, он облачён в крещатые ризы и шапку, в левой руке держит Евангелие, правая сложена в благословении у груди. У него длинные с проседью волнистые волосы, видна прядь за правым плечом, недлинная борода разделена на две пряди. Образ святого представлен и на иконе «Образ всех российских чудотворцев» письма монахини Иулиании (Соколовой; 1920–1930 гг., ризница Троице-Сергиевой лавры), а также в авторских повторениях и списках конца XX – начала XXI вв. Имя Мартирия увековечено в названии крытого притвора или паперти с южной стороны новгородского собора Святой Софии, а также в устроении надземной гробницы, украшенной фресковой росписью.