Desde 2021 compite en la «categoría reina» de MotoGP, resultando campeón en 2024 y subcampeón en 2023 con el equipo Prima Pramac Racing.[1] Es el primer piloto campeón con un equipo independiente en la era de MotoGP, así como el primer piloto madrileño en ser campeón del mundo de la categoría reina del motociclismo.[4][5] Además en esta temporada se vio obligado a perderse el Gran Premio de los Países Bajos debido a tres fracturas distintas en su mano derecha ocurridas en el Gran Premio de Cataluña[6][7] y el Gran Premio de San Marino debido a la fractura del quinto metatarsiano del pie derecho ocurrida en la clasifiacción del gran premio.[13] En su primera temporada en el equipo consiguió nueve podios: seis terceros puestos (Catar, Argentina, Cataluña, Austria, Gran Bretaña y Australia), dos segundos puestos (las Américas y Malasia) y una victoria, su primera victoria a nivel mundialista en el Gran Premio de la Comunidad Valenciana.[40][41][42] En la primera mitad de la temporada sufrió debido a que la KTM RC12 no había sido bien desarrollada, su mejor resultado fue el noveno puesto en el Gran Premio de Alemania.[43][44][45] En el gran premio siguiente en Australia, Martín consiguió su segundo y último podio de la temporada, terminó segundo detrás de su compañero Brad Binder dándole al Red Bull KTM Ajo un grandísimo 1-2.En 2021 tras su debut en Moto GP con el equipo italiano Pramac Racing, se subió cuatro veces al podio.
