Nadat hij voor verschillende Spaanse nationale jeugdselecties speelde, debuteerde Javi Martínez op 29 mei 2010 onder coach Vicente del Bosque in het Spaans voetbalelftal. Hij kwam die dag in een met 3–2 gewonnen oefeninterland tegen Saoedi-Arabië (3-2) in de tweede helft in het veld als invaller voor Xavi Hernández. Hij won met Spanje het WK 2010 en het Europees kampioenschap 2012. In juni 2011 werd Martínez met Spanje –21 Europees kampioen op het EK –21. Martínez nam met het Spaans olympisch voetbalelftal onder leiding van bondscoach Luis Milla deel aan de Olympische Spelen van 2012 in Londen. Hier kwam hij, als aanvoerder van het elftal, niet verder dan de groepsfase. Hij maakte ook deel uit van de Spaanse selectie op het WK 2014.