En 1633 fue nombrado gobernador del Paraguay, cargo que ostentaría hasta el año 1636.

[1]​ En ese último año firmó la capitulación con el virrey del Perú, Diego Fernández de Córdoba (marqués de Guadalcázar), para explorar, conquistar y colonizar el Chaco Gualamba, con el propósito de contener a los indígenas ocloyas y establecer comunicación fluvial con el Atlántico, vía Asunción del Paraguay, a través de los ríos Pilcomayo y Bermejo.

Santiago de Guadalcázar fue completamente destruida por los indígenas en 1631, según informe enviado al Rey por el propio gobernador del Tucumán, Felipe de Albornoz.

Ledesma Valderrama abandonó la región cuando fue designado como quinto gobernador del Paraguay para contener la invasión portuguesa aparentemente fomentada por su antecesor, cargo que ejerció entre 1633 y 1636.

Martín de Ledesma Valderrama murió en Santiago del Estero en el año 1650.