Martin Dimov wurde 1976 in Russe, Bulgarien, geboren. Im Alter von sechs Jahren erhielt er seinen ersten Cellounterricht bei Alexandra Elenkova und studierte anschließend bei Anatolij Krastev an der staatlichen Musikakademie in Sofia, wo er 1998 sein Studium mit Auszeichnung abschloss. Ab demselben Jahr setzte er seine Studien an der Universität für Musik und darstellende Kunst in Graz bei Florian Kitt fort. Im Jahr 2005 schloss er sein Magisterstudium mit Auszeichnung ab. Er besuchte Meisterklassen bei Robert Cohen und Michael Chomitzer in Varna sowie bei Maria Kliegel und Stefan Popov in Russe.

Martin Dimov ist Preisträger zahlreicher Wettbewerbe, unter anderem des «Svetoslav Obretenov» in Bulgarien und des nationalen bulgarischen Violoncello-Wettbewerbs. Zahlreiche Auftritte absolvierte er in seinem Heimatland, in Österreich und Japan sowohl solistisch als auch kammermusikalisch und mit verschiedenen Orchestern.

Seine Laufbahn als professioneller Orchestermusiker begann Martin Dimov während des Studiums als Substitut beim Grazer Philharmonischen Orchester, erhielt dann einen Karenzvertrag und war bis 2006 fixes Ensemblemitglied des Grazer Orchesters. Seit 2008 ist er Mitglied im Tonkünstler-Orchester Niederösterreich.