Martino palasi takaisin Club Libertadin valmentajaksi 2005 ja voitti seuraavana vuonna Aperturan. Hän jätti tehtävänsä seuran päävalmentajana joulukuussa 2006. Helmikuussa 2007 hän siirtyi Paraguayn maajoukkueen päävalmentajaksi. Ensimmäisessä arvoturnauksessaan, Copa Américassa 2007 hän johdatti Paraguayn puolivälieriin, joissa tuli murskaava 6–0-tappio Meksikolle. Martino sai kuitenkin jatkaa tehtävässään ja hänen johdollaan Paraguay sijoittui CONMEBOLin karsintalohkossa kolmanneksi selviytyen MM-kisoihin 2010. Luottamus Martinoon kannatti, sillä hänen johdollaan Paraguay voitti MM-alkulohkonsa jättämällä taakseen mm. Italian. Neljännesvälierissä Paraguay eteni jatkoon voittamalla Japanin rangaistuspotkukilpailun jälkeen. Paraguayn historian paras MM-lopputurnaus päättyi puolivälierätappioon Espanjalle 1–0. Martinon suojateilla oli kuitenkin kaikki mahdollisuudet edetä jopa neljän parhaan joukkoon, mutta kehno viimeistely ja hukattu rankkari vesittivät mitalipelihaaveet. Historiallisen puolivälieräpaikan jälkeen Martino ilmoitti jättävänsä tehtävänsä Paraguayn maajoukkueessa. Seuraavana päivänä kuitenkin uutisoitiin, ettei Martinon lähtö olekaan vielä selvä asia ja hän saattaa jatkaa päävalmentajana.