Вступив в 1901 г. в Социал-демократическую партию Германии, Л. К. Мартенс не порывает связей и с русским революционным движением. Когда после II съезда партии в РСДРП происходит раскол, он безоговорочно примыкает к большевикам. И именно эта связь с большевистской партией приводит в конце концов к тому, что, преследуемый уже немецкой полицией, Мартенс вынужден был покинуть Германию. В годы первой русской революции по поручению В. И. Ленина и с помощью М. М. Литвинова и В. В. Воровского Мартенс организует отправку в Россию через Швецию и Финляндию взрывчатых веществ, предназначенных для боевых дружин. В 1906 г. в Гамбурге с этим грузом весом в 75 пудов Мартенс был задержан немецкой полицией. Только благодаря тому, что он дал подписку, что этот груз предназначается для одной из американских фирм и что он обязуется немедленно отправить его по назначению, Л. К. Мартенсу удалось избежать ареста. Однако оставаться в Германии после этого случая было уже невозможно.
В октябре 1906 г. при содействии Карла Либкнехта он уезжает в Англию. С большим трудом Л. К. Мартенс находит себе работу в качестве инженера-механика на одном из лондонских заводов. Одновременно, вступив в Лондонскую группу большевиков, он продолжает активно участвовать и в русском революционном движении.
В 1907 г. Мартенс присутствует на V съезде РСДРП. Позднее в своих воспоминаниях он писал: «Я встретил Владимира Ильича летом 1907 г. на съезде нашей партии в Лондоне, когда большевики одержали под руководством В. И. Ленина решительную победу над меньшевиками».
Характерно, что Департамент полиции и его агентура продолжали следить за деятельностью Л. К. Мартенса и за границей. Так, в докладе чиновника особых поручений из Парижа от 8 (21) февраля 1910 г. министру внутренних дел сообщалось: «…Имею честь представить Вашему превосходительству некоторые сведения о лицах, проживающих в Лондоне и примыкающих к социал-демократической партии: …Мартенс, инженер, родом из Курска, лет 33, среднего роста, крепкого сложения, волосы и небольшие усы светлые, изобретатель ручных пулеметов». И далее сообщался его точный адрес.
Здесь, как и в Германии, Л. К. Мартенс продолжает заниматься и различными изобретениями. Особенно увлекают его в этот период вопросы, связанные с баллистикой, аэронавтикой и т. д. О своих занятиях и изобретениях он пишет сестре: «Занимаясь аэронавтикой, я сделал одно крупное открытие: нашел форму тела, которое движется в воздухе, воде и пр. с минимальным сопротивлением. Значение этого для аэронавтики и для баллистики громадно. Я теперь лихорадочно спешу сделать все, что возможно, чтобы запатентовать эту идею». Однако отсутствие необходимых условий для опытов, и прежде всего материальных средств, и на этот раз не позволяет ему довести работу до конца.