A los 20 años, Martirosyan debutó como profesional bajo la tutela del entrenador Freddie Roach. Durante su carrera, se mantuvo invicto en sus primeros 34 combates, logrando un récord de 33-0-1 antes de su primera derrota, según Notifight. En total, acumuló 36 victorias (21 por nocaut), cuatro derrotas y un empate. Fue retador mundial en tres ocasiones y enfrentó a figuras como Demetrius Andrade, Jermell Charlo y Erislandy Lara, perdiendo por decisión en combates por títulos mundiales. Su última pelea profesional fue en 2018, cuando sustituyó a Canelo Álvarez y se midió ante Gennady Golovkin, cayendo por nocaut en el segundo asalto tras solo tres semanas de preparación.

Durante los últimos meses, la enfermedad avanzó con rapidez. Su entrenador y amigo, Roma Kalantaryan, lo visitó en Los Ángeles poco antes de su fallecimiento, cuando los médicos le informaron que le quedaban pocos días de vida. Kalantaryan relató a la revista The Ring que Martirosyan intentó todo tipo de tratamientos, incluso viajó a México en busca de alternativas, pero la situación se volvió insostenible en el último semestre.

El fallecimiento de Martirosyan generó numerosas muestras de pesar en la comunidad del boxeo. El presidente del Consejo Mundial de Boxeo (CMB), Mauricio Sulaimán, destacó su calidad humana: “Era una persona especial que incluso donó a la familia de Israel Vázquez, incluso cuando él mismo afrontaba dificultades”, resaltó. El Wild Card Boxing Club, gimnasio donde Martirosyan entrenó gran parte de su carrera, publicó un mensaje en redes sociales lamentando la pérdida de quien consideraban no solo un atleta destacado, sino también un amigo y un ser humano generoso.

Martirosyan residía en Los Ángeles junto a su esposa y sus dos hijos, Andrew y Arianna. En el plano personal, había sufrido la pérdida de su hermano mayor por un infarto a los 40 años, un hecho que marcó profundamente a la familia.