Гайк Мартиросян родился 22 декабря 1903 года в селе Балаханы близ Баку. Его отец Оганес Мартиросян был простым рабочим, бакинским нефтяником. Проработав 40 лет на нефтепромысле, он с трудом обеспечивал свою семью. Гайк получл только начальное образование, с 11 лет пришлось ему работать.

В 1922 году семья переселяется в Ереван. Между тем Гайк Мартиросян успел принять участие в боях Красной Армии против Первой Армянской Республики, а также в подавлении меньшевистского мятежа в Грузии. В 1923 году власти Советской Армении командировали Гайка Мартиросяна в Тифлис учиться в военно-политическом училище, после окончания которого он был назначен политруком Первого Армянского полка.

В том же году вступил в коммунистическую партию. До 1930 года служил в армянской стрелковой дивизии командиром батальона. В 1932 году после окончания годичных разведывательных курсов при главном штабе Мартиросяна назначили начальником разведки штаба стрелковой дивизии. В 1936 году закончил военную академию имени М. Фрунзе. В том же году его командировали на Дальний Восток. В качестве командира отдельной стрелковой бригады он воевал с японцами. Оставаясь на Дальнем Востоке до октября 1941 года, Мартиросян был начальником штаба Дальневосточного военного округа, замначальника штаба дивизии. Он активно участвовал в боях у озера Хасан, в которых получил первое боевое крещение, особенно в июле-августе 1938 года. Когда началась Великая Отечественная война, как известно, на Дальнем Востоке стояли большие силы, так как Япония была союзником фашистской Германии. Ожидалось нападение на СССР. Поэтому нельзя было перебросить войска под Москву, где положение было критическим. Но благодаря легендарному советскому разведчику Зорге в Японии стало известно, что японцы в этот год не нападут на СССР. И 239-я дивизия была срочно переброшена на запад для участия в обороне Москвы.

17 октября 1941 года генерал Георгий Шелахов приказывает Гайку Мартиросяну срочно перебросить дивизию по железной дороге на Западный фронт в распоряжение Верховного главнокомандования. Сначала Куйбышев (ныне Самара), затем 7-го ноября перед отправкой на фронт дивизия празднует юбилей Октябрьской революции.

Из истории мы знаем, что основным звеном плана молниеносной войны фашистской Германии было взятие Москвы. Планировалось завершить оккупацию Москвы и саму войну за несколько недель. И поэтому положение под Москвой было очень тяжелым, потому что группа армий «Центр» нацелила свой удар на Москву всей своей техникой.

Фашисты сосредоточили под Москвой 75 дивизий, 1700 танков, 13 тысяч самолетов, 14 тысяч орудий и минометов. Такими мощными силами они собирались быстро взять Москву. И Гайк Мартиросян, командир 239-й дивизии встает против этой мощной силы, обороняя выделенный ему участок – шоссе «Тула – Сталиногорск». Соседние части находились на расстоянии 20–30 км. А против него воевали четыре дивизии, четыре против одной. Среди них известные одна танковая и две пехотные дивизии второй танковой группы Гудериана, который впоследствии в своих мемуарах писал, что стоявшая перед нами дивизия смогла вызвать панику в пехотной.
Мартиросян оказался в очень трудном положении, почти попав в окружение. Ему повезло, что зимой 1941 года бои под Москвой из оборонительных превращаются в наступательные. Окружение удается прорвать. С ноября 1941 года 239-я стрелковая дивизия под командованием Мартиросяна участвует в обороне Москвы и Тулы, в штурме Арсеньево, Плавска и других.

За проявленный военный талант и смелость Мартиросян был награжден орденом «Красного Знамени». После обороны Москвы дивизия участвовала 6 декабря 1941 году в мощном контрударе, который благодаря резервным дивизиям с Дальнего Востока, отваге солдат и мудрости командования, сумел отбросить врага на 300 км. И здесь дивизия генерала Мартиросяна была в числе первых. Перейдя в наступление, соединение под командованием армянского командира освободило около 200 населенных пунктов, захватив большое количество трофеев: пушки, пулеметы, автоматы.

В июле-сентябре 1942 года идут активные наступательные действия на ржевском направлении. В Ржеве немцы создали мощную группировку, которую собирались использовать против Москвы, но в то время основные силы немцев были направлены на Сталинград. Как известно, с 17 июля 1942 года началась Сталинградская битва и закончилась 2 февраля 1943 года мощным разгромом немецких войск. И поражение фашистов под Сталинградом спасло армянский народ от нового геноцида, так как союзник Германии – Турция держала 26 дивизий на границе Советской Армении в ожидании исхода Сталинградской битвы.

С июля по октябрь 1942 года после освобождения еще 60 населённых пунктов, во время наступления под Ржевом Мартиросян был тяжело контужен. После лечения в московском госпитале, он назначается заместителем командующего 43-й армии и на некоторое время командиром 90-го корпуса этой же армии.

Затем быор освобождение Польши, в котором участвовало его соединение. Оно блестяще выполнило свою задачу и вошло в Варшаву. Гайк Мартиросян принимал участие в боях за освобождение Прибалтики, Восточной Пруссии и Кёнигсберга и разгроме Данцигской группировки противника. Затем ему было поручено оборонять позиции на побережье Куршского залива. Генерал завершил Вторую мировую войну в городе Гдыня.

После войны с 1945 по 1951 года Мартиросян командовал армянской Таманской дивизией. В годы его командования легендарная дивизия была среди лучших в СССР.

В 1954 году заслуженный генерал ушел в отставку, но не прервал связь с армией. Он стал председателем ереванского отделения совета ветеранов СССР, председателем научно-методического совета общества «Знание». У него всегда была офицерская выправка, орлиный взгляд, он был человек высокой культуры, грамотный, образованный. Он написал много книг на военно-патриотическую тему, мемуары. В 1968 году Гайка Оганесовича назначили руководителем ереванской секции Совета ветеранов Великой Отечественной войны.
Трижды кавалер ордена «Красного Знамени», награжденный орденом Ленина за оборону Москвы, дважды орденом «Отечественной войны», он многократно избирался депутатом Верховного совета Армении. Он успел написать несколько книг, в которых излагал не только свой боевой путь, но и результаты нескольких крупных сражений. Этот видный генерал, прошедший славный боевой путь, оставил глубокий след в военной истории, послужил ярким примером для молодежи.

Известный генерал, почётный гражданин Еревана умер в столице независимой Армении в апреле 1995 года. Герой Советского Союза Андраник Казарян наилучшим образом характеризовал своего командира Гайка Мартиросяна:

«Мы видели знающего, опытного, интеллигентного, строгого и заботливого командира, большого теоретика и военного деятеля. Одного из лучших методистов обучения и воспитания армии».

В Узловой в августе 2020 года в Сквере Героев открыли мемориальный комплекс, посвящённый генерал-майору Красной Армии, командиру 239-й стрелковой дивизии Гайку Мартиросяну и воинам его дивизии.