Jego działalność stała się obiektem zainteresowania podziemnej organizacji antykomunistycznej „Kraj” kierowanej przez Zenona Sobotę, osobę o niejednoznacznej działalności w czasie wojny, bez przyszłości, skazanego na pracę w podziemiu. To czwórka jego podwładnych, po uzyskania namiarów na miejsce zamieszkania Martyki, przyjechała pociągiem do Warszawy z zamiarem jego zlikwidowania. Akcję przeprowadzili w niedzielę 9 września 1951 roku. Drzwi otworzyła gosposia. Napastnicy wtargnęli do mieszkania, dotkliwie pobili jego żonę Zofię. Stefana Martykę ogłuszyli, po czym zastrzelili z pistoletu. Zamachowcy zbiegli, rozjechawszy się każdy w swoją stronę.
Pogrzeb, który odbył się na Powązkach trzy dni później z honorami, poprzedziła specjalna akademia, na której przyznano zmarłemu najwyższe odznaczenie od prezydenta Bieruta, a w zakładach pracy odbywały się masowe wiece potępiające siły imperialistyczne i ich mocodawców. Pochowano go w grobie rodziny Lindorfów.
Śledztwo, przez blisko rok, mimo zaangażowania sił wielu służb, nie przynosiło efektów. Przypadek sprawił, że podczas nieudanego włamania członków tej samej organizacji do mieszkania jednego z posłów Sejmu Ustawodawczego, wskutek wszczętego alarmu, przechodniom udało się schwytać kobietę biorącą udział w tej akcji. Zatrzymaną okazała się Krystyna Metzger, członkini Grupy „Kraj”, która rok wcześniej ustaliła adres Stefana Martyki. Przesłuchanie prowadzone do skutku spowodowało załamanie aresztowanej. Zdradziła ona strukturę organizacji, po którym UB szybko ujął 111 jej członków, a szef Zenon Sobota popełnił samobójstwo przy próbie zatrzymania. Wśród aresztowanych znaleźli się sprawcy zabójstwa Stefana Martyki.
Rok po pogrzebie, we wrześniu 1952 roku, po czterodniowym procesie przed warszawskim sądem wojskowym wszystkich sprawców zabójstwa skazano na karę śmierci. Wyrok wykonano w maju 1953 roku na Rakowieckiej. Krystynie Metzger z uwagi na ciążę złagodzono wyrok na dożywotnie więzienie.
40 lat później, już w niepodległej Polsce odbyła się rozprawa rewizyjna. Sąd unieważnił wyrok w części mówiącej o działalności grupy „Kraj”, jednak odmówił uwolnienia sprawców od winy za popełnienie morderstwa. W sentencji wyroku napisano: „Nie da się usprawiedliwić zamachu terrorystycznego, jakim było zastrzelenie we własnym mieszkaniu Stefana Martyki, ponieważ poświęcone dobro, którym było życie ludzkie, pozostało w rażącej dysproporcji do dobra, które zamierzano uzyskać. Zastrzelenie Stefana Martyki nie było gestem obronnym, lecz aktem terroru politycznego”.
Dla Stefana Martyki Zofia Lindorfówna, był drugą żoną. On natomiast był jej trzecim mężem. Lindorfówna ukończyła kursy wokalno-dramatyczne, gdzie podczas popisów egzaminacyjnych została zauważona przez Ludwika Solskiego i zaangażowana do Teatry Rozmaitości, późniejszego Narodowego. Do wybuchu wojny była aktorką teatru Narodowego, zagrała także w kilku filmach, m.in. w „Trędowatej” i „Ordynacie Michorowskim”. W czasie wojny pracowała jako kelnerka w „Café Bodo” oraz „U Aktorek”. Po wojnie była aktorką Teatru Polskiego u Arnolda Szyfmana, a następnie Teatru Narodowego. Jako honorowy członek SPATiF-ZASP w maju 1973 roku obchodziła 50-lecie działalności artystycznej.
Z małżeństwa z Martyką Lindorfówna miała córkę Teresę, która w chwili śmierci ojca miała 8 lat. Na grobie męża umieściła napis: „Tyś nas rozłączył w szczęściu Panie, Ty połączysz ZLM”.