Martínez, der bereits 1986 mit der uruguayischen Auswahl bei den Südamerikaspielen 1986 in Chile mitwirkte, war auch Mitglied der uruguayischen A-Nationalmannschaft. Er debütierte in der "Celeste" am 27. September 1988. Sein 35. und letztes Länderspiel absolvierte er am 20. Juli 1997. Insgesamt erzielte er fünf Länderspieltore. In dieser Zeit nahm er mit der "Celeste" an der Weltmeisterschaft 1990 teil, bei der er im Gruppenspiel gegen Südkorea zum Einsatz kam. Auch gehörte er den uruguayischen Augeboten bei der Copa América 1989, die Uruguay als Zweitplatzierter beendete, und der Copa América 1991 an. 1995 gewann er mit der "Celeste" bei diesem Turnier schließlich den Titel. Auch 1997 war er Teil des Kaders bei dieser Veranstaltung.