מרטסאקר פתח בהרכב הנבחרת גם במשחקי מונדיאל 2006, יורו 2008, מונדיאל 2010 ויורו 2012. את משחקי מונדיאל 2014 החל מרטסאקר כשחקן הרכב, אך במשחק הגמר מול נבחרת ארגנטינה פתח על הספסל, ובדקה ה-120 החליף את מסוט אוזיל והיה שותף לזכייתה של גרמניה בגביע העולם. ב-15 באוגוסט 2014 הודיע מרטסאקר על פרישה מהנבחרת.