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Martin Mortensen devient, en 2002, champion du Danemark du contre-la-montre dans la catégorie juniors. Trois ans plus tard, il remporte à nouveau ce titre dans la catégorie espoirs, où il finit à la deuxième place de la course en ligne. Depuis 2007, il est membre de l'équipe continentale danoise Designa Køkken. Dans ses deux premières saisons, il réalise en France deux bons résultats, lors du Grand Prix de Dourges et lors de la première étape de la Boucle de l'Artois.