В росписи (1908 г.) Троицкого собора Зеленецкого монастыря Мартирий показан старцем с округлой седой бородой, непокрытой головой, стоящим на облаке и благословляющим, с развёрнутым свитком в левой руке. Мартирий присутствует на иконах с образами новгородских или российских чудотворцев. На иконе «Образ всех российских чудотворцев с Софией Премудростью Божией» иконописца Петра Тимофеева (1814 г., Русский музей) и на прориси с неё (Музей Санкт-Петербургской духовной академии) у преподобного недлинная округлая борода, голова не покрыта. На одноимённых выговских иконах рубежа XVIII и XIX вв. и второй четверти XIX в. (Исторический музей, Третьяковская галерея) он показан в куколе, борода длиннее и у́же. На прориси с иконы XVIII (?) в. «Новгородские чудотворцы» преподобный стоит в правой группе святых, в пятом ряду снизу, вторым справа; видна только его непокрытая голова, борода короткая округлая. Мартирий включён в состав святых на литографии «Собор всех святых новгородских угодников» (хромолитография Ефима Ивановича Фесенко, Одесса, 1902 г.) и на иконе «Образ всех российских чудотворцев» монахини Иулиании (Соколовой; 1920–1930 гг., ризница Троице-Сергиевой лавры), а также в авторских повторениях и списках этой иконы, выполненных в конце XX – начале XXI вв. Горельефное изображение Мартирия в схиме, с наперсным крестом, со сложенными на груди руками было на крышке медной посеребренной раки преподобного (1855–1857 гг.). На боковых сторонах раки помещались рельефы со сценами воскрешения преподобным царевича Иоанна, сына хана Симеона Бекбулатовича, и преставления Мартирия, на торцевых – явление Мартирию Тихвинской иконы Божьей Матери и текст тропаря святому – в картуше, поддерживаемом ангелами (рака воссоздана в 2013 г.). К концу XIX в. получили некоторое распространение «раздаточные» иконы – паломнические образки, исполненные в скорописной технике и восходящие, как полагают исследователи, к изображению на торце раки: Мартирий в монашеской одежде, в куколе, стоит справа в повороте на три четверти; слева показана обитель с пятиглавым храмом (реже с двумя или тремя храмами) и шатровой колокольней. Иисследователи встречают поясные изображения преподобного, со свёрнутым или с развёрнутым свитком; в последнем случае на свитке обычно помещена надпись: «Се, удалихся бегая и водворихся в пустыни…» (Пс. 54:7). На образке из собрания Феликса Романовича Комарова Мартирий с непокрытой головой, держит чётки, благословляет именословно (конец XIX в.). Два цикла житийных иллюстраций были созданы в начале XXI в. для нового издания Жития Мартирия. Исследователи отмечают, что гравюры петербургского художника Романа Владимировича Писарева обладают высокими художественными достоинствами, но имеют некоторые расхождения с текстом Жития (например, вместо «Одигитрии» Тихвинской изображена «Одигитрия» типа Смоленской). Второй цикл состоит из 26 рисунков к Житию и акафисту, стилизованных под прориси с древних икон. К образу Мартирия обращался современный петербургский иконописец Георгий Викторович Гашев. Его произведения решены в условно-древнерусской стилистике, с ориентацией на искусство Дионисия. На ростовой иконе Мартирий изображён с посохом и развёрнутым свитком; на поясной – свиток свёрнут, рукоять посоха имеет загнутые концы.