Po zakończeniu kariery piłkarskiej Martino objął funkcję szkoleniowca argentyńskiego Brown de Arrecifes. Następnie prowadził Platense oraz Instituto. W latach 2002-2003 i 2005-2006 był menadżerem paragwajskiego Libertad, z którym wywalczył pięć tytułów mistrzowskich. Jeden krajowy czempionat zdobył także wraz z Cerro Porteño. W 2005 roku na krótko został trenerem Colónu, a dwa lata później objął funkcję selekcjonera reprezentacji Paragwaju. Prowadził kadrę podczas Copa América 2007, a także wywalczył z nią awans na Mistrzostwa Świata w 2010 roku. W 2007 roku otrzymał od urugwajskiej gazety "El País" tytuł trenera roku w Ameryce Południowej. W 2011 roku zrezygnował ze stanowiska. W 2012 roku wybrany został trenerem Newell’s Old Boys, gdzie pracował przez kolejny rok. 23 lipca 2013 roku podpisał dwuletni kontrakt z Barceloną. 17 maja 2014 roku po ostatnim meczu ligowym w Primera División ogłosił swoją rezygnację z pełnionej funkcji. "Tata "Martino podczas pobytu w Barcelonie zdobył Superpuchar Hiszpanii. 12 sierpnia 2014 został mianowany nowym selekcjonerem reprezentacji Argentyny. Na tym stanowisku zastąpił Alejandro Sabellę. Po dwóch przegranych finałach na Copa América 2015 i Copa América 2016 i z powodu chaosu w reprezentacji 5 lipca 2016 roku zrezygnował ze stanowiska selekcjonera reprezentacji Argentyny.