При перестройке монастыря погребение Мартирия оказалось под Троицким собором, в нижней церкви во имя апостола Иоанна Богослова. Здесь Новгородский митрополит Корнилий устроил гробницу Мартирия, однако мощи святого остались под спудом. Исследователи не сомневаются, что почитание памяти преподобного в Зеленецком монастыре существовало, но у его гробницы служили только панихиды. Самое раннее иконописное изображение Мартирия – поясной образ XVII в., хранящийся в Музее икон в городе Рекклингхаузен (Германия). Мартирий почитался старообрядцами: большинство поздних списков Жития Мартирия находятся в старообрядческих сборниках. Образ Мартирия присутствует в ряду преподобных на старообрядческих минейных иконах за март. Официальное церковное почитание Мартирия началось в 1747 г. Об этом рассказывает «Летописец» Зеленецкой обители, известный исследователям по единственной рукописи первой половины XIX в., происходящей из библиотеки Тихвинского Успенского монастыря (Российский государственный исторический архив; последние описанные здесь события датируются 1790 г.). Под 1747 г. в «Летописце» помещено повествование о посещении Зеленецкого монастыря императрицей Елизаветой Петровной. Поклонившись надгробию Мартирия, она спросила, какие службы Мартирию совершают в монастыре. Услышав в ответ, что панихиды, Елизавета Петровна распорядилась впредь служить Мартирию по общей Минее. Текст службы преподобному находится в той же рукописи, что и «Летописец» (Российский государственный исторический архив). Канон взят из общей Минеи с добавлением особых кондака и икоса. Исследователи отмечают, что служба также составлена по общей Минее со следующими отличиями: сочинены особые стихиры на малой вечерне и тропарь, на великой вечерне – особые Слава восьмого гласа, лития и стихиры на стиховне, на утрене – особые светилен, богородичен и хвалитные стихиры. В конце XIX в. на основе данных Жития Мартирия был составлен Акафист преподобному Мартирию. Текст сохранился в машинописи (Российская национальная библиотека, Санкт-Петербургская духовная академия), его автор исследователям не известен. Акафист не был одобрен церковной цензурой и не вошёл в церковный обиход. В 1853 г. над погребением Мартирия в Троицком соборе была установлена серебряная рака, украшенная сценами из Жития преподобного. В 1922 г. раку изъяли вместе с ценной церковной утварью. В 1937 г. обитель была закрыта и возобновлена только в 1991 г. В августе 1992 г. обрели мощи святого. 24 ноября 1998 г. их перенесли из Троицкого собора в Благовещенскую церковь и поместили в специально изготовленный ковчег. 24 ноября 2001 г. Зеленецкий монастырь посетил митрополит Санкт-Петербургский и Ладожский Владимир (Котляров). 14 марта 2003 г. в обители состоялось празднование 400-летия со дня преставления преподобного. Канонизация святого подтверждена включением его имени в Соборы Новгородских (установлен около 1831 г., возобновлён в 1981 г.) и Санкт-Петербургских (установлен в 2000 г.) святых.