Han brukte 53.43 minutter på de 46,4 kilometerne gjennom Københavns gater, og tok sitt første VM-gull.
– Det er helt utrolig. Jeg startet med en god følelse, sa han etter seieren.
Britiske Bradley Wiggins tok VM-sølv, han var 1.15 minutter bak tyskeren.
Wiggins er lagkamerat med Edvald Boasson Hagen, Lars Petter Nordhaug og Kurt Asle Arvesen i Sky-laget, og dette er hans første tempomedalje i VM.
Les også:
Cancellara langt bak
Rival og tidligere verdensmester Fabian Cancellara måtte nøye seg med bronsemedaljen.
Sveitseren har VM-gull fra 2006, 2007, 2009 og 2010 og var ute etter sin femte VM-tittel, men var sjanseløs mot tyskeren onsdag. Han var hele 1.20 minutter bak Martin.
– David Millar var før start en av mine favoritter, og da jeg passerte ham med halvannet minutt, skjønte jeg at det måtte gå veien, sa den ferske verdensmesteren.
Dermed har Tyskland vunnet to VM-gull så langt i København, siden Judith Arndt vant kvinnenes temporitt tirsdag.
Les:
Borgersen fornøyd med debuten
Reidar Borgersen hadde sin VM-debut. Han startet beskjedent og avsluttet heller ikke med topp tempo. Med tiden 59.38 endte han på 43.-plass 5.54 minutter bak vinneren.
Han var likevel fornøyd.
– Det var moro, sa han til NRK etter målgang.
– Jeg var ganske nervøs før start, men da jeg først kom i gang, gikk det greit, mente han.
Den tidligere skøyteløperen åpent relativt pent, og han var 25 sekunder bak de beste ved første mellomtid.
Han tapte ytterligere 14 sekunder fram til neste mellomtid, og ved halvkjørt distanse var avstanden økt til 1.08 minutter. Han tapte ytterligere på den siste runden.
– Jeg prøvde å gi på litt ekstra mot slutten, men jeg hadde ikke så mye å gi som jeg hadde håpet, sa han.