Исследователи полагают, что первые изображения Мартирия появились вскоре после его кончины, однако ни древних икон преподобного, ни сведений о них не сохранилось. В иконописном подлиннике внешность святого описывается скупо: «Надсед, брадою аки Савва Звенигородский, в схиме, риза преподобническая» (Российская национальная библиотека); он назван «иже на Тихвине реце Тверской чудотворец». Текст на свитке по другому подлиннику: «Се убо братия моя, по благодати Божии отходя света сего, предаю вас в руце Господни. Имейте во всем упование на Его и на Пресвятую Богородицу. Аз бо убо молитвами ея, еже желах от Господа да и восприях. Еще ныне телом хотя и отхожду от вас, но духом присно с вами. Кто из вас, живущих во обители сей, сего света отидет, аз имам Господа молитвами о упокоении души его [пропуск текста] предаде святую душу свою в руцех всех Бога. В лето от сотворения мира 7111, от Рождества Христова 1603 месяца марта в 1 день» (Библиотека Академии Наук, в особом разделе вне основного состава подлинника). Фигура преподобного, по сведениям источников XIX в., была помещена на лопатке малого проёма святых ворот тихвинского Успенского монастыря, расписанных иконописцем Родионом Сергиевым «с товарищи» (1662 г.). Исследователи полагают, что изображение Мартирия было в росписях Троицкого собора Зеленецкого монастыря, исполненных новгородскими и тихвинскими иконниками (около 1684 г.). Императрица Елизавета Петровна, посетив Зеленецкий монастырь в 1747 г., приложилась к образу у гробницы чудотворца. Исследователи полагают, что имеется в виду образ Мартирия (хотя у гроба преподобного стояли два чтимых образа, называемые его келейными: икона Святой Троицы и Тихвинская икона Божьей Матери). Наиболее ранние сохранившиеся изображения Мартирия датированы XVIII в. На иконе «Вмч. Димитрий Солунский, свт. Иоанн Златоуст, прп. Мартирий Зеленецкий» (Церковно-археологический кабинет Московской духовной академии) преподобный изображён в рост, благословляющим, с недлинной округлой бородой; в левой руке свёрнутый свиток, куколь лежит на плечах. На иконе новгородского священника Георгия Алексеева «Образ Новгородских чудотворцев» (1728 г., Третьяковская галерея) Мартирий (как и другие святые) показан по пояс, в чашечке цветка, вторым справа в нижнем ряду. Его руки обращены в молитвенном жесте к центральному образу Богоматери «Знамение». Поясной образ XVIII в. (?), обретённый в 1992 г. в храме 12 апостолов Иоанновского женского монастыря в Санкт-Петербурге, находится у раки с мощами святого в Зеленецком монастыре: преподобный благословляет двуперстно, в левой руке держит развёрнутый свиток, над его главой изображена Святая. Троица в образе трёх ангелов. Ростовое изображение Мартирия есть на гравюре Григория Аникеевича Качалова «Вид Тихвинского монастыря» (1759 г.), святой показан внизу справа, в картушном обрамлении, на фоне Троицкой Зеленецкой пустыни. В местном ряду иконостаса (1818 г.) Троицкого собора Зеленецкого монастыря находилась большая икона Мартирия «старого времени», в Благовещенской церкви – икона с видом Зеленецкой обители и стоящим рядом с ней Мартирием, в верхней части – Тихвинский образ Божьей Матери, который несут ангелы. Исследователи полагают, что, скорее всего, эта композиция восходила к гравюре Г.А. Качалова.