[3]​ Como entrenador, dirigió a dos clubes paraguayos: Libertad y Cerro Porteño, con los que ganó varios títulos.

Con México obtuvo el campeonato de la Copa Oro 2019 tras vencer en la final a Estados Unidos.

Comenzó su carrera como futbolista a la edad de 10 años en el Newell's Old Boys de su ciudad natal, donde se desempeñó como mediocampista, jugando como el diez del equipo.

Es el futbolista que más encuentros disputó en Newell's Old Boys con 505 (convirtiendo 35 goles), y el que más títulos obtuvo, con tres (junto a Norberto Scoponi, Miguel Ángel Fullana y Juan Manuel Llop).

No pudo dar la vuelta olímpica en la Bombonera por haber sido lesionado gravemente por Carlos Moya en el desarrollo del partido.

Al año siguiente jugó junto a Diego Maradona en el paso de este por Newell's Old Boys.

Para la selección absoluta fue convocado en las instancias previas al Mundial de México en 1986, disputando algunos encuentros.

Su primer equipo fue Almirante Brown de Arrecifes, que en ese entonces se desempeñaba en el Nacional B.

[11]​ Bajo su mando el club obtuvo los Torneos Apertura y Clausura 2004, este último tres jornadas antes de la finalización del mismo.

[13]​ Asumió en la quinta fecha del torneo y logró que el equipo alcanzara los 26 puntos, dejándolo en un más que aceptable (dado el comienzo de torneo) undécimo puesto.

Martino dejó su cargo luego de haber sumado cuatro puntos en las primeras seis fechas.

En ese año, 2005, volvió al club donde consiguió sus mayores éxitos como entrenador, Libertad.

En el tercer y último partido del grupo fue vencido por Argentina por 1-0 con gol de Javier Mascherano.

Sin embargo Martino no se rindió y decidió continuar.

[18]​ En Sudáfrica, clasificó primero del Grupo F, en el que Italia quedó eliminado como último.

[24]​ Más tarde, en la Copa América 2011 realizada en Argentina, Paraguay quedó ubicada en el grupo B junto a Ecuador, Brasil y Venezuela.

Martino debutó frente a Ecuador con un (0-0) luego de un partido bastante ofensivo.

En el segundo partido frente a Brasil empató otra vez (2-2) luego de haber "modestamente" dominado la mayor parte del encuentro y en el tercer y último partido del grupo fue remontado por la Vinotinto y empató nuevamente, esta vez (3-3) consiguiendo solo tres puntos fruto de tres empates.

De esta manera Paraguay alcanzó la semifinal y enfrentaría esta vez a Venezuela por segunda ocasión.

Finalmente sufrió su primera derrota en el 21.er partido oficial, frente al Ajax.

[41]​ Así, Martino se convirtió en el primer técnico que disputa dos finales de Copa América seguidas con dos seleccionados distintos.

[42]​ Sin embargo, Martino acabaría perdiendo ambas finales, ya que Argentina cayó en la definición desde el punto penal por 1:4 luego de haber igualado en cero en un reñido encuentro con La Roja durante los 90 minutos reglamentarios y luego en los 30 minutos suplementarios.

Tras conseguir una victoria por la mínima en un encuentro amistoso ante Honduras (1-0), Martino preparó al equipo argentino de cara a la Copa América Centenario, donde en una nueva exitosa campaña lo volvió a llevar a la instancia final sin mayores sobresaltos, aunque nuevamente tropezó con el seleccionado chileno desde el punto penal.

[47]​ Martino anunció más tarde que este era su último partido en el banquillo del Atlanta United.

[60]​ Ahí se reencontró con tres de sus ex-dirigidos en el Fútbol Club Barcelona: Lionel Messi, Sergio Busquets y Jordi Alba.