В 1924 посетил Венецию, Флоренцию, Рим. В 1926–1928 жил в Париже, где прошла его первая персональная выставка.

В 1922 картины Сарьяна экспонировались на Первой русской художественной выставке в галерее Ван Димена в Берлине, в 1924–1925 — на выставке русского искусства в Нью-Йорке, в 1925 работы художника были показаны на ретроспективной выставке содружества «Голубая роза» в Государственной Третьяковской галерее в Москве, в 1927 они входили в экспозицию последней выставки «Мира искусства» в галерее «Бернхейм» в Париже. В 1925 Сарьян стал членом объединения «4 искусства». В 1926 был удостоен звания народного художника Армении.

В конце 1920-х — 1930-х много работал как театральный декоратор. В 1927 создал оформление сказочного балета «Зулейка» в Париже. Сотрудничал с Одесским театром оперы и балета («Алмаст» А. А. Спендиарова, 1930; постановка не осуществлена), Театром оперы и балета им. А. А. Спендиарова в Эриване («Храбрый Назар» А. Л. Степаняна, 1934; не осуществлена), московским Музыкальным театром им. В. И. Немировича-Данченко, Государственным оперным театром им. К. С. Станиславского («Золотой петушок» Н. А. Римского-Корсакова, 1932; не осуществлена), Ростовским драматическим театром. Периодически обращался также к книжной графике, в частности создал иллюстрации для сборника «Армянские сказки» (несколько изданий), обложки к сборнику стихов А. Исаакяна (1929) и «Сказкам» О. Туманяна (1930).

В 1934 совершил творческую поездку в Туркмению. В 1936 в Москве (ГМИИ) и Ленинграде (Всероссийская Академия художеств) прошли персональные выставки художника. В 1937 за фрески в Отделе СССР на Всемирной выставке в Париже был удостоен Гран-при.

В 1947 был избран действительным членом Академии художеств СССР.

Лауреат Сталинской (1941), Ленинской (1961) и Государственной (1966) премий. Народный художник СССР (1960).

Выставки произведений Сарьяна неоднократно устраивались в Ереване (1955, 1956, 1961, 1965, 1970, 1972, 1973, 1975, 1977, 1980, 1983), Ленинграде (1956, 1964, 1972), Москве (1956, 1964, 1965, 1980, 1985, 1995), Париже (1980, 1984), а также в Тбилиси (1955), Харькове (1968), Бухаресте (1965), Праге, Берлине (1966), Будапеште (1967), Болонье (1975), Бари (1976), Гаване, Риге (1978) и других городах.

Сарьян — выдающийся художник первой половины ХХ столетия. В раннем творчестве он был близок символизму, позднее его художественные воззрения изменились, тем не менее он всегда оставался в стороне от основного направления русского (советского) искусства. Живописи и графике Сарьяна, его творчеству, бережно и неизменно наполненному восточным духом, были одинаково чужды новейшие течения — кубизм, футуризм, супрематизм, неопримитивизм, соцреализм. Отличительными чертами произведений Сарьяна являются свободная манера письма, чрезвычайно яркие, выразительные сочетания цветов, подчеркивающие формы живой действительности, будь то бесплодные склоны гор, знойные улочки армянских городов и деревень или блестящая синева южного неба, кажущаяся «избыточность» колорита, что роднит искусство Сарьяна с творчеством А. Матисса и П. Гогена.

Произведения Сарьяна находятся во многих музейных и частных собраниях, в том числе в Государственной Третьяковской галерее, Государственном Русском музее, ГМИИ им. А. С. Пушкина, Национальной галерее Армении.

В Ереване открыт Музей Мартироса Сарьяна.