В апреле 1941 года по направлению Ивнянского военкомата закончил краткосрочные курсы младших лейтенантов. Уже в июле 1941 в звании младшего лейтенанта участвовал в боях с фашистами в районе Смоленска, командовал гаубичной батареей.

2 октября 1941 года был тяжело ранен в обе ноги. После трехмесячного лечения снова вернулся в строй. 

В августе 1942 года был снова ранен в ногу, попал в госпиталь в город Горький (ныне Новгород), откуда был снова направлен на фронт. Его дивизия была вскоре отправлена на Ленинградский фронт, оттуда, по Финскому заливу, на пятачок Ораниенбаум. 

Представьте себе прямоугольник земли длиной 2 км и шириной 800 метров, представьте себе, что с одной стороны (которая 2 км) этого куска земли находится Нева, с противоположной стороны и по краям лес. Так вот этот маленький пятачок советские войска удерживали около 400 дней. Со всех сторон кроме Невы были немцы, которые постоянно атаковали плацдарм. Средняя продолжительность жизни солдата была там около 52 часов. Всего за 3 года на пятачке погибло около 250 тысяч человек. В условиях невероятно трудных, не имея достаточного количества не только тяжелого, но и легкого вооружения, находясь на голодном снарядном «пайке», испытывая всевозможные лишения, они мужественно сражались на последних рубежах перед Ораниенбаумом и Красной Горкой. Здесь, в составе 168 стрелковой дивизии 2-ой ударной армии в 1943 году самоотверженно и стойко сражалась батарея 152 мм гаубица Мартьянова Павла Ивановича.

В боях под Гатчиной, в 1944 году артиллерийский расчет Павла Ивановича вел неравный бой с фашистскими танками, после того как было уничтожено несколько орудий – Павел Иванович вместе с наводчиком орудия Перепаевым продолжил сражаться, забросав приближающиеся «тигры» гранатами. 

Немцы на этом участке не прошли. Мужество, отвага, стойкость советских бойцов и любовь к Родине оказались крепче стали и огня. 

Павел Иванович был награжден орденом Красной Звезды. 

В боях под Нарвой, (станция Яма) он получил тяжелое ранение в живот, попал в госпиталь города Ленинграда. Позже, в 1946 году Павел Иванович получил медаль «За Оборону Ленинграда».

В звании старшего лейтенанта фронтовик дошел до Берлина. Был награжден орденом Отечественной войны I степени. 

Только в 1946 году по инвалидности он вернулся домой.