12 ноября 2005 года в товарищеском матче против сборной Англии Демичелис дебютировал за сборную Аргентины. В том же году он был вызван в национальную команду для участия в Кубке конфедераций. На турнире Мартин был запасным и не сыграл ни минуты. 11 сентября 2007 года в матче против сборной Австралии Демичелис забил свой первый гол за сборную.