W seniorskiej reprezentacji Paragwaju Martínez zadebiutował za kadencji selekcjonera Gerardo Martino – swojego byłego trenera z Libertadu – 15 października 2008 w wygranym 1:0 spotkaniu z Peru, w ramach eliminacji do Mistrzostw Świata 2010, na które jego drużyna zdołała się zakwalifikować. W 2010 roku znalazł się we szerokim składzie Paragwaju na Mistrzostwa Świata w RPA, jednak ostatecznie nie został powołany przez selekcjonera Martino do finalnej kadry na mundial. Premierowego gola w kadrze narodowej strzelił 12 października 2010 w wygranym 2:0 meczu towarzyskim z Nową Zelandią. W 2011 roku został powołany na rozgrywany w Argentynie turniej Copa América, podczas którego pozostawał rezerwowym swojej reprezentacji i wystąpił tylko w dwóch pojedynkach (w obydwóch wchodząc z ławki), za to Paragwajczycy zdołali dotrzeć aż do finału, gdzie jednak okazali się gorsi od Urugwaju (0:3). Ma za sobą również udział w eliminacjach do Mistrzostw Świata, rozgrywając jednak w ich ramach tylko jedno spotkanie (z szesnastu możliwych), zaś paragwajska kadra nie awansowała na mundial.