Le , sa sélection se qualifie pour la phase finale de la coupe du monde FIFA 2018 en Russie, en battant l'équipe de Grèce par 1-2. Il devient le premier entraîneur espagnol à qualifier une équipe non-espagnole à une coupe du monde, et le troisième entraîneur étranger à coacher la Belgique lors d'une Coupe du monde. Engagé initialement pour un contrat qui devait prendre fin juste après la Coupe du Monde en Russie, Martinez prolonge son contrat pour deux années supplémentaires, afin d'entraîner les Diables Rouges pour la nouvelle Ligue des nations et l'Euro 2020.