Nel 2020 viene scelto dal team ART Grand Prix, al debutto nella competizione, per competere per il terzo anno nella Formula Renault Eurocup. Dopo un inizio al rilento, in cui ottiene un solo podio nelle prime quattro gare a Monza e Imola, Martins ritrova la testa della classifica, tallonato dal membro della Renault Sport Academy Caio Collet. Nelle successive 9 gare va sempre a podio, ottenendo 6 vittorie. La serie positiva si interrompe nella seconda gara di Spa-Francorchamps, dove la pista bagnata favorisce i piloti partiti con le gomme da bagnato, tra cui il vincitore della corsa Alex Quinn: Martins riesce a rimontare fino al quarto posto, guadagnando comunque punti rispetto a Collet. L'evento successivo, corso ad Imola in supporto al gran premio di F1, è cruciale per il campionato: in gara 1 Collet ottiene una vittoria, ma è costretto al ritiro in gara 2 dopo essere stato colpito dal debuttante David Vidales, permettendo a Martins di vincere ed ampliare il vantaggio. Le ultime quattro gare, in cui Lorenzo Colombo ottiene una tripla vittoria, vedono Martins intento a difendere i punti di vantaggio su Collet, quest'ultimo gareggia in modo aggressivo, ma crucialmente è costretto al ritiro in gara 2 sul circuito di Hockenheim a causa di un problema meccanico. Martins si laurea campione al penultimo turno, a Paul Ricard, segnando oltre il 70% dei punti del suo team, che vince la classifica per team. Alla fine della stagione colleziona 7 vittorie, 8 giri veloci, 14 podi e 10 pole positions, numeri che gli permettono di essere il recordman della stagione per tutte e quattro le statistiche.