Wiosną 1940 na podstawie decyzji Biura Politycznego Wszechzwiązkowej Partii Komunistycznej (bolszewików) i naczelnych władz państwowych ZSRR z 5 marca 1940 – tak jak tysiące innych oficerów Wojska Polskiego, został wywieziony transportem kolejowym do Charkowa i zastrzelony przez funkcjonariuszy NKWD w tył głowy. Zwłoki zostały ukryte w zbiorowej mogile na terenie VI kwartału strefy leśnej w Piatichatkach, gdzie od 17 czerwca 2000 mieści się oficjalnie Cmentarzu Ofiar Totalitaryzmu w Charkowie. Figuruje na Liście Starobielskiej NKWD pod poz. 2284. Jak w wypadku wszystkich pozostałych ofiar tego mordu, na cmentarzu znajduje się tabliczka epitafijna upamiętniająca Zygmunta Martyniaka.
Życie prywatne thumb|Zygmunt Martyniak z rodziną, od lewej syn Zbigniew, żona Helena z Janczewskich, teściowa Teodora Janczewska z Lubienieckich, syn Jerzy - Lublin, lipiec 1937. thumb|Tabliczka epitafijna na Cmentarzu Ofiar Totalitaryzmu w Charkowie, 31 stycznia 2007. thumb|Polska ściana ołtarzowa na Cmentarzu Ofiar Totalitaryzmu w Charkowie, gdzie umieszczono imiona i nazwiska charkowskich ofiar zbrodni katyńskiej, w tym m.in.