Die Ortschaft wurde 1219 erstmalig als Mainharderode erwähnt und war im Besitz der Grafen von Käfernburg. Die Besitzer wechselten häufig. Nach den Grafen von Henneberg und derer von Witzleben gehörte der Ort ab 1670 als Zubehör des Amtes Ilmenau zum Herzogtum Sachsen-Weimar. Beim Amt Ilmenau blieb er bis zum Zusammenschluss der Thüringer Staaten 1920.
Die alte Handelsstraße zwischen Nord- und Süddeutschland verlief ab 1324 über Plaue, Neusiß, durch das Frankental und Martinroda zur "Ausspanne" auf der Höhe. Mehrmalig verlagert führte der einstige Frankenweg zunächst in Richtung des heutigen Fußweges vom Ort Martinroda nach Unterpörlitz und Ilmenau. In einem Bogen (dann weiter nach Roda führend), erreichte die älteste Ausfallstraße um 1805 die Höhe Dicke Eiche, wobei die letzte Steigerung der heutigen Chaussee vermieden wurde. (Straßenführungen Martinroda - Ilmenau auf Karten von 1839 / 1873 / 1905) Noch immer ist an manchen Stellen das Sandsteinlager der "alten Straße" zu sehen.
1841 schrieb Andreas Heinrich August Hatham (Arnstädter Lehrer und Autor mehrerer heimatgeschichtlicher Veröffentlichungen): "Von Arnstadt kommend im Thale gelangt man auf der in vielen Krümmungen hinaufsteigen Kunststraße nach Ilmenau; ... an der Roten Heide vorbei, die mit Birken bewachsen ist und Sandsteinbrüche enthält. Der Fußweg führt an der Pechhütte und an den Tongruben zur Höhe. Bei der dicken Eiche geht ein Fußweg nach Ober-Pörlitz ab, wo Sandstein- und Sandgruben sind." Schon als die Glas- und Porzellanfabrikation im oberen Ilmtal Aufschwung nahm, wurde auch Martinroda durch den Sandabbau geprägt. In dieser Zeit entstand wohl der noch heute gültige Spitzname des Volksmundes - "die Sandhasen von Mertrude". Dieser Erwerbszweig zeigt sich sogar im (leider unbestätigten) Wappen des Ortes.
Seit jeher galt die Gemeinde Martinroda als wohlhabend in Thüringen. Mit Einnahmen durch den großen Waldbestand, mit Sandsteinabbau, Sand- und Tongruben kassierte die Gemeinde bedeutende Gelder.
Im Territorium Martinroda befanden sich drei größere Abbaufelder:
"Rote Heide", "Dicke Eiche" und "Langerasen". Letzteres ist vermutlich der älteste Tiefbaubereich des Sandgebietes. Von 1892 bis 1918 wurde im Alten Stollen (nördlich der "Dicken Eiche") abgebaut.
In der "Roten Heide" grub man von kleinen Schächten aus nach Porzellansand. Dort führten Stollen bis unter die heutige Landesstraße und in Richtung "Dicke Eiche". In dem Abbaufeld unterhalb der Straße wurde in der Zeit um den ersten Weltkrieg gearbeitet. Zum Stollen gehörte eine Gleisanlage für Kipploren.
Die kleine Sandgrube 100m weiter nordwestlich am Waldweg "Rote Heide" kann man heute als "geologisches Fenster" dieser Region bezeichnen. Im Mittelabschnitt dieses Feldes fand der Abbau um 1949 bis 1961 statt. Bis 1950 wurden 6 Männer für die Gemeinde im Sandabbau beschäftigt. Die letzten Versuche der Sandförderung brachten keine qualitativen Ergebnisse, wie der ehemalige Bürgermeister Heinz Senglaub berichtete.
Die Flurstücke unterhalb der Heydaer Straße sind vom Titterwind-Bach aufwärts am Martinröder Berg nach dem Sandsteinabbau benannt. "In den Steinbrüchen" und "Unter den Steinbrüchen" wie die Flurnamen bezeichnen, wurde vermutlich zuerst Sandstein gebrochen und Bausand gewonnen. Später dehnte sich der Abbau bis zur Waldstraße und westlich "In den Neuen Ländern", sowie "Kiefernbusch" bis zum heutigen Sportplatz aus. Auch der "Röt", ein undurchlässiger Mergel (kalkhaltiger Ton) ist jenseits des Titterwind-Baches auf den Grundstücken zu finden. Er wurde für Terrakotta und Ziegel verwendet. Keramiker Peter Höppner weiß vom Großvater, dass der Röt auch auf Grundstücken seines Großvaters Robert Müller und bei Walter Brehm gegraben wurde. In der Töpferei der Firma Karl Umbreit für Ofenkacheln und für Kapseln zur Porzellanherstellung konnte dieser Ton genutzt werden. Die "Kachelpatscher" arbeiteten in der heutigen Stollenstraße. Man erprobte den Röt um die Jahrhundertwende ebenso in Gräfenroda zum Herstellen verschiedener Zierartikel und Gartenzwerge.
Die in Gemeindebesitz befindlichen Gelände wurden zum Sandabbau und Vertrieb korrekt vertraglich verpachtet. Pro Zentner zahlten die Pächter 5 Rpf. und pro m³ Bausand 30 Rpf. Bei etwaiger Geldentwertung hatte die Gemeinde das Recht, den Pachtvertrag dahingehend abzuändern, dass auf die gesamte Sandabnahme 10% des jeweiligen Verkaufspreises als Pachtgeld zu entrichten wäre.
Im 19. Jahrhundert waren es Gottfried Schramm und Ferdinand Brehm , die durch die schwere Arbeit mit dem Sandabbau bekannt wurden. Von beiden liegen dann seit 1901 Verträge vor. Gottfried Wilhelm Schramm war zu Ende des 19. Jahrhundert Landwirt und Sandgrubenpächter mit eigenem Fuhrwerk. Als Steinbruch nutzte der tüchtige Unternehmer Gottfried Schramm (bis zu seinem Tod 1922) den Turnplatz von 1880 am Ilmenauer Fußweg. Mit vier Arbeitern förderte er den hochwertigen Feldspatsandstein im Tagebau. 1906 verpachtete die Gemeinde an Herrn Schramm den Steinbruch zwischen der alten Chaussee und dem Ilmenauer Fußweg im "Kieferbusch" auf weitere 6 Jahre, wie in Akten der Gemeinde Martinroda zu lesen ist.