Il s’engage le 17 septembre 2015 au sein de la Légion étrangère. Après sa formation initiale au 4e régiment étranger, où il se distingue par sa camaraderie et un fort engagement personnel, il est affecté au 1er régiment étranger de cavalerie en mars 2016. Il occupe successivement les fonctions de pilote puis chargeur, sur véhicule blindé au 2e escadron. Il est élevé à la distinction de 1re classe le 1er août 2016 et reçoit la même année la médaille de la protection militaire du territoire avec agrafe Sentinelle.

En 2017, il participe à sa première mission de courte durée à Djibouti en tant que chargeur AMX 10RC. Il y confirme d’excellentes qualités militaires en termes d’engagement et de discipline. C’est un frère d’armes sur lequel son peloton peut toujours compter.

Tireur blindé depuis 2019, il s’illustre par son esprit d’initiative et l’application dans la réalisation de ses missions. En juin 2019, il reçoit une lettre de félicitation de niveau régimentaire avec son peloton, pour son investissement exceptionnel et sa remarquable pugnacité lors de la préparation opérationnelle interarmes.

Reconnu par ses chefs pour son professionnalisme, son implication et sa rigueur, il est aussi apprécié de ses camarades. Parfaitement intégré au sein de son peloton, il se révèle un élément moteur disposant de toutes les qualités pour assumer des responsabilités. Toujours volontaire, il est déployé en tant que chef de bord de véhicule blindé léger en opération extérieure au Mali, dans le cadre de l’opération Barkhane, et s’illustre également comme conducteur de poids lourds dans la région du Liptako.

Le jeudi 23 avril 2020 en fin d’après-midi, le camion-citerne militaire de la force Barkhane du  brigadier-chef Martynyouk a été atteint par un engin explosif improvisé dans le Liptako malien alors que l'unité à laquelle il appartient est engagée dans une opération contre des groupes armés terroristes. Grièvement blessé, il a été immédiatement pris en charge par l’équipe médicale déployée, évacué par hélicoptère Caïman vers Gao puis transféré vers la France pour être pris en charge à l’hôpital d’instruction des armées Percy. Le  brigadier-chef Martynyouk est décédé des suites de ses blessures le 1er mai 2020.

Le  brigadier-chef Dmytro Martynyouk était célibataire sans enfant. Il est mort pour la France, dans l’accomplissement de sa mission au sein de l’opération Barkhane.