Nace en Vallecas, el 9 de julio de 1921 en el seno de una familia oriunda de Cuenca. Su padre, forjador de oficio, fallece cuando apenas tiene unos meses, trabajando en las rejas del Palacio de Comunicaciones de la plaza de Cibeles. En 1925, se traslada con su familia a Madrid. Su primer encuentro con los pinceles se lo proporcionó la dueña que les alquilaba la casa donde vivió: pintaba cuadritos que entusiasmaban al pequeño.

1931. Asiste al Colegio del Niño Jesús de Praga, donde el hermano Faustino alienta su vocación artística, iniciándole, pese a sus pocos años, en el dibujo. Trabaja en diferentes oficios, pero cultiva su vocación artística con visitas al Museo del Prado, pare ver las obras de los grandes maestros, a la vez que observa el trabajo de los copistas. A través de la gran biblioteca del tío de un amigo, consume cuanta literatura clásica y moderna está a su alcance, lo cual va dándole un poso cultural, además de una formación literaria. Acude en estos años a las clases nocturnas de la Escuela de Artes y Oficios.

1936. En los años que dura la guerra española, permanece en Madrid. Es este un periodo que le sirve para formarse como pintor, asistiendo en un primer momento a las clases del Ateneo Libertario del pueblo de Vallecas.

1937. Asiste a las clases de la Escuela Superior de Pintura, Escultura Grabado, ubicada entonces en las salas del Museo de Arte Moderno, Biblioteca Nacional de Madrid. Entra en contacto con Daniel Vázquez Díaz, profesor en esos años en la Escuela; compañeros suyos son Luis García Ochoa, Álvaro Delgado, Francisco San José y Gregorio del Olmo, cuya amistad le acompañará siempre.

1938. Convaleciente de un accidente, se entrega a la lectura con tal decisión que comienza a escribir, alentado además por sus profesores actividad que desarrolla hasta el final de la guerra, colaborando incluso en periódicos anarquistas como Castilla Libre y el órgano de las Juventudes Libertarias. El historiador Laínez Alcalá, profesor suyo, le aconseja tras la lectura de un relato, dedicarse a las letras. Tras la guerra es encarcelado cerca de un año en Yeserías. Abandona toda la actividad literaria, quemando incluso todos sus escritos, para dedicarse por entero a la pintura.

1940. Monta su primer estudio de pintura en la plaza de Tirso de Molina. Trabaja entonces sobre figuras y bodegones.

1942. Hace el Servicio Militar en la Escuela de Aplicación y Tiro de Infantería, donde trabaja como dibujante. Dibuja temas bélicos por requisito de sus superiores. Acude a las tertulias del Lion d´Or, donde conoce a Ramón Faraldo y Rafael Zabaleta, entre otros.

Otros compañeros suyos entablan relación con Benjamín Palencia, bajo su tutela y magisterio, forman la segunda etapa de la Escuela de Vallecas. Por el rechazo de Palencia, Martínez Novillo no es admitido en el cerrado círculo del “Convivio”. Pero, como todos, vive la sugestión por el paisaje árido y mesetario de Castilla que Palencia les descubre ante sus ojos jóvenes.

1947. Primera exposición individual en la Galería Bucholz, Madrid. Contrae matrimonio con Mercedes González.

1948. Exposición en la sala de estampas del Museo de Arte Moderno, Madrid. La crítica empieza a hacerse eco de su obra. Vázquez Díaz le deja una nota tras su visita: “El gran progreso que esperaba no me sorprende, porque desde el comienzo vi al pintor”. Es seleccionado para participar en la Exposición que el Ministerio de Educación realiza para Buenos Aires, que bajo el título de “Arte español” reúne a los mejores artistas del momento.

1950. Exposición en los Salones Macarrón, Madrid y en la sala Proel, Santander. Es invitado a participar en la Bienal Internacional de Arte de Venecia, presentando su obra en el pabellón español. La década de los cincuenta es clave en su formación pictórica. A lo largo de estos años va descubriendo el paisaje no sólo castellano, sino también del Cantábrico y de Andalucía (fundamentalmente, Granada y la vega cordobesa), que conoce gracias al pintor Pedro Bueno. Es éste un periodo intenso de viajes en moto por toda España, tomando apuntes con su amigo Agustín Redondela.

1951. Participa en la primera Bienal Hispanoamericana y en el Salón de los Once, Galería Biosca de Madrid. Surge un grupo de artistas, amigos todos ellos: Álvaro Delgado, Luis García Ochoa, Agustín Redondela, Menchu Gal y Juan Guillén. Exponen sus obras colectivamente en la Galería Biosca, ese mismo año. A partir de ese momento, se denomina Escuela de Madrid.

1952. Exposición en la Galería Estilo, Madrid. Expone en la Sala Libros, Zaragoza. Realiza un interesante trabajo para el Hotel Castellana Hilton, Madrid. Obtiene una beca del Instituto Francés en Madrid que le permite viajar a París, donde comienza a ver todo el arte moderno. Le interesa especialmente la pintura de Cézanne, Van Gogh, Picasso, y Braque. La influencia de Cézanne, es palpable en los paisajes de este periodo, en el estilo constructivo de su pintura. Participa en la Quinzaine Espagnole, Biarritz.

1953. Expone en la Sala Caralt, Barcelona, en la Asociación Crítica de Arte de Vizcaya y en la Sala Artis, de Salamanca. Obtiene un premio de pintura en la Bienal Hispanoamericana, celebrada en Cuba. Trabaja mucho en Cuenca, donde frecuenta a César González Ruano. Viaja a París con una bolsa de viaje de la Delegación de Cultura. Estudia en profundidad a Cézanne y Braque, a la vez que dibuja incansablemente tomando apuntes de las calles de París. Es seleccionado para representar a España en la Bienal Internacional de Venecia. Expone en Santander, Cuenca y Vizcaya.

1957. Obtiene la tercera medalla de pintura en la Exposición Nacional de Bellas Artes. Le otorgan el Molino de Plata en la exposición manchega de Artes Plásticas.

1958., Expone en las Salas de la Dirección General de Bellas Artes de Madrid, el texto introductorio es escrito por Leopoldo Panero.

1959. Expone en la Sala Illescas de Bilbao y en las Escuelas Nobles de Bellas Artes de San Eloy, Salamanca.

1960. Segunda medalla de pintura en la exposición Nacional de Bellas Artes.

1961. Expone en Bilbao y Oviedo. Obtiene una bolsa de viaje de la Fundación Juan March, que le posibilita una tercera estancia en París, que aprovecha para adentrarse en las técnicas gráficas, estudiando el procedimiento del grabado a color en el talle de Hayter Stanley. Es importante este viaje, dado que sufre entonces una profunda transformación estética, mediante la cual varía el modo de la representación de la realidad en su pintura, adoptando un lenguaje formal muy cercano a la abstracción, enriqueciendo notablemente la textura matérica de sus óleos. Modifica también su concepto de la luz, oscureciendo sus obras.

Se traslada a París, instalándose en el estudio del fotógrafo Ángel Úbeda.

1963. Se traslada nuevamente a París. Expone los trabajos de los últimos meses en la Galería Epona de París, luego en Bilbao. Adquiriendo el Museo de Bellas Artes de Bilbao dos obras suyas.

Su obra da un gran giro, despojándose sus paisajes de detalles, anécdotas, acercándose a un expresionismo abstracto, pero sustentándose siempre en la realidad.

1964. Presenta su obra en la galería Bürdeke, Zurich y participa en la Feria Internacional de Nueva York, Pabellón Español. Su pintura comienza una lenta, pero segura evolución. Sus paisajes ya no son tan duros, de aristas tan rígidas, pidiendo hablar incluso de apertura imaginativa en su concepto creador.

1967. Exposición en la Galería Müller, Winterthur, Suiza. Recorre en compañía de su hijo Álvaro, Suiza, Alemania, Holanda, Bélgica, visitando los principales museos y exposiciones. Sintiéndose atraído por la pintura de Vermeer, por la emoción de su intimismo, y por el belga Constant Permeke, cuyo concepto del paisaje se ajusta a la meta perseguida por él. A partir de entonces, su obra recibe un fuerte cambio, especialmente en la utilización de la luz como elemento poético.

1970. Adquiere una casa familiar en Cullera, que le permite descubrir la luz del Mediterráneo. Comienza entonces su dedicación al paisaje del Levante, a sus playas. Sus obras empiezan a manifestar una gran riqueza cromática, verdes, azules, rojos, que en cierto modo eran inéditos hasta ese momento en su paleta.

1971. Exposiciones en Biosca (Madrid), New Gralton Gallery (Londres), Galería Barbi (Houston, Texas). Recupera la luminosidad del color, a lo que no es ajeno sus estancias en el Mediterráneo, creando magníficos paisajes, que alterna con los duros y secos castellanos.

1976. Enrique Azcoaga presenta un magnífico estudio de su obra (publicado por Ibérico Europea de Ediciones). Sus trabajos sobre las playas, zonas arenosas y albuferas del Mediterráneo, llevan a su pintura hacia una depuración formal y cromática, simplificando a su vez los elementos que configuran sus paisajes y bodegones.

1981. Termina el libro Soria, con poemas de Gerardo Diego, compuesto por quince aguafuertes, que es presentado en la Galería Kreisler de Madrid y en la Sala Sur de Santander.

1982 a 1998. Realiza múltiples exposiciones en Vigo, Madrid, Valencia, Gijón, Granada…

1999. Le conceden la Medalla de oro de la Feria Arte-Santander, por su trayectoria artística. Durante ese año, trabaja en grandes formatos, que se adaptan a su concepto estético actual, concibiendo en muchos casos paisajes sobre un mismo tono, limitándose a grises/azulados, ocres/tostados; gamas en las que parece sentirse muy identificado y que confieren incluso a la composición un halo de misterio.

2001. Realiza una exposición antológica en el Centro Cultural de la Villa de Madrid, para el que realiza una serie de grandes formatos. Antes de su clausura, es hospitalizado por una grave dolencia que pone en peligro su vida.

2006. Inaugura su última exposición en la galería Juan Gris de Madrid.

2008. Fallece el 15 de julio en Madrid.

Es uno de los artistas fundamentales de la pintura figurativa española de la modernidad. Supo desarrollar un lenguaje muy personal, en el que se confunde figuración y abstracción.

Martínez Novillo era un hombre de una mirada singular, nada pasaba inadvertido a su pupila. En sus lienzos surgían estilos tan diferentes como el ingenuo naïf de su óleo Pozo del Tío Raimundo, de 1947, entre colinas y cielos altos, hasta su Belinchón 1979-1980, secuencia de volúmenes blancos donde un pueblecito de Cuenca dormita al amor de la mañana. Éste era el cuadro suyo que más le gustaba, por su sencillez. Sin embargo, admitía que fue el que más le costó realizar, ya que consideraba que en pintura "lo sencillo es lo más difícil de conseguir".

Para no rendirse ante el paisaje desnudo, explicaba, situaba casi siempre una pequeña figura humana en el horizonte.