Родился 21 сентября 1900 года в селе Матраса Шемахинского уезда Бакинской губернии, в семье священника. Армянин. Окончил сельскую школу и духовную семинарию.

Служил в Красной гвардии. В Красной Армии с 1920 года. Участник ражданской войны. Окончил курсы усовершенствования командного состава в 1925 и 1928 годах. Участвовал в Польский поход РККА|операции по присоединению Западной Украины
к СССР в 1939 году.

На фронтах Великой Отечественной войны с июня 1941 года. Командовал с 21 сентября 1941 года по 1 июля 1943 года 340-й стрелковой дивизией, затем корпусом. Воевал
на Южном, Западном, Брянском, Воронежском, 1-м и 2-м Украинских фронтах. Принимал участие в оборонительных боях первого периода войны на Западной Украине, в битве под Москвой, в Острогожско-Россошанской операции, в Курской битве, в освобождении Украины, Ясско-Кишинёвской, Нижнее-Силезской, Берлинской и Пражской операциях.

73-й стрелковый корпус (52-я армия, 1-й Украинский фронт) под командованием генерал-майора Саркиса Согомоновича Мартиросяна отличился в Сандомирско-Силезской наступательной операции.

21 января 1945 года, прорвав оборону противника, корпус освободил польские города Хмельник (13 января), Велюнь (19 января), Ёльс (Олесница, 25 января) и к 28 января подошёл к городу Бреслау (Вроцлав), уничтожил большое количество боевой техники, солдат и офицеров противника.

За умелое командование корпусом, образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецко-фашистским захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм указом Президиума Верховного Совета СССР от 29 мая 1945 года генерал-майору Мартиросяну Саркису Согомоновичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда»
(№ 6068).

После войны продолжал службу в армии. В 1947 году он окончил Высшие академические курсы при Военной академии Генерального штаба. С 1953 года
генерал-лейтенант Саркис Согомонович Мартиросян — в запасе. Жил в столице Армянской ССР — городе Ереване. Скончался 15 февраля 1984 года.