Martínez comenzó su carrera futbolística en las divisiones inferiores de la Universidad Católica.

Destaca en la clasificación de la selección sub-20 al mundial de Canadá junto a baluartes como Mauricio Isla, Arturo Vidal, Nicolás Medina, Alexis Sánchez, Mathías Vidangossy, Jaime Grondona, Gary Medel y Cristián Suárez.

En el último partido jugado por la selección chilena durante el mundial de Canadá, Martínez anotó el gol que le dio a Chile el tercer puesto en la categoría de Sub-20.

Tras disputar algunos amistosos, jugó su primer partido por las Clasificatorias al Mundial de Sudáfrica 2010 contra la selección argentina, sustituyendo a los 88 minutos a Gary Medel, partido en el que se consiguió la victoria por 1-0, la primera victoria de Chile ante Argentina por eliminatorias mundialistas.

[3]​ En 2010, jugó algunos partidos previos al Mundial de Sudáfrica, pero finalmente no fue convocado entre los 23 nominados.