W reprezentacji Urugwaju Martínez zadebiutował 8 czerwca 2003 w wygranym 2:0 towarzyskim meczu przeciwko RPA, kiedy to w 72. minucie zmienił Álvaro Recobę. 18 lutego 2004 pełnił rolę kapitana drużyny narodowej w spotkaniu z Jamajką. Następnie znalazł się w kadrze reprezentacji na Copa América 2004, na którym razem z drużyną narodową wywalczył brązowy medal. 11 lutego 2009 w pojedynku z Libią Martínez strzałem głową zdobył swojego pierwszego gola dla Urugwaju.