À la suite de la démission de Bertie Ahern, il soutient le Vice-Premier ministre et ministre des Finances, Brian Cowen, dans la course à sa succession. Au sein du nouveau gouvernement, formé le , Micheál Martin devient ministre des Affaires étrangères. Il est alors chargé de mener la campagne gouvernementale en faveur de l'adoption référendaire de l'amendement constitutionnel permettant de ratifier le traité de Lisbonne. Bien que tous les principaux partis du pays se soient prononcés pour le « Oui », c'est le « Non » qui l'emporte avec 53,4 % des voix, plongeant le nouveau gouvernement dans la crise. Un nouvel amendement constitutionnel, ayant le même objectif, sera finalement ratifié le par 67 % des voix.