W 1962 roku wystartowała na mistrzostwach świata w Zakopanem, gdzie wraz ze Strandberg i Gustafsson wywalczyła srebrny medal w sztafecie. Na tych samych mistrzostwach zajęła także 6. miejsce w biegu na 10 km oraz 8. miejsce w biegu na 5 km. Cztery lata później, podczas mistrzostw świata w Oslo Szwedki w tym samym składzie zdobyły kolejny medal w sztafecie, tym razem brązowy. Ponadto Martinsson zajęła 6. miejsce na dystansie 10 km oraz 7. miejsce w biegu na 5 km techniką klasyczną.
W 1964 roku wygrała biegu na 10 km podczas Holmenkollen ski festival. Jej mąż Sture Grahn również reprezentował Szwecję w biegach narciarskich.
Osiągnięcia Igrzyska olimpijskie Miejsce Dzień Rok Miejscowość Konkurencja Czas biegu Strata Zwyciężczyni14.28 stycznia1956 Cortina d’Ampezzo10 km stylem klasycznym38:11 +2:53 Lubow Kozyriewa7.20 lutego1960 Squaw Valley10 km stylem klasycznym39:46,6 +1:19,6 Marija Gusakowa11.1 lutego1964 Innsbruck10 km stylem klasycznym40:24,3 +2:11,8 Kławdija Bojarskich7.5 lutego1964 Innsbruck5 km stylem klasycznym17:50,5 +35,9 Kławdija Bojarskich2.15px7 lutego1964 InnsbruckSztafeta 3 × 5 kmSkład drużyny: Barbro Martinsson, Britt Strandberg, Toini Gustafsson59:20,2 +2:06,8 4.9 lutego1968 Grenoble10 km stylem klasycznym36:46,5 +1:20,6 Toini Gustafsson4.13 lutego1968 Grenoble5 km stylem klasycznym16:45,2 +7,7 Toini