Nel dicembre 536, Giustiniano ordinò a Martino e a Valeriano di dare manforte a Belisario in Italia, la cui controffensiva ostrogota stava mettendo in difficoltà, mettendoli a capo di un esercito di rinforzi da inviare per liberare Roma dall'assedio ostrogoto. Salparono dalla Grecia ma cattive condizioni meteorologiche li costrinsero a svernare in Actolia e in Acarnalia; di fronte alle continue sollecitazioni di Giustiniano, partirono finalmente in primavera, navigando a tutta velocità, e giungendo nella Città Eterna circa 20 giorni dopo la caduta di Porto in mani nemiche, portando con sé 1600 cavalieri mercenari, tra Unni, Slavi e Anti. Martino fu inviato più volte da Belisario a condurre operazioni di guerriglia per logorare le forze ostrogote assedianti, e alla fine dell'anno, gli venne dato l'ordine di partire per occupare Terracina, accompagnato da Traiano e da Antonina (moglie di Belisario); riuscirono nell'impresa approfittando dell'oscurità per eludere gli accampamenti gotici, e, dopo aver inviato Antonina a Napoli, occuparono le città locali, riducendo le possibilità per gli Ostrogoti di ricevere rifornimenti. Venne richiamato a Roma poco tempo prima l'arrivo di Giovanni, nipote di Vitaliano (novembre-dicembre 537). Dopo la fine dell'assedio ostrogoto di Roma (marzo 538), Martino venne inviato da Belisario a Rimini per sostituire le forze di Giovanni con una guarnigione adeguata; l'esercito di Martino, percorrendo la Via Flaminia nel tentativo di arrivare a Rimini prima degli Ostrogoti di re Vitige, che intendevano riprenderla ai Bizantini, riuscì ad occupare nel corso del tragitto la fortezza di Petra, e arrivò a Rimini durante il terzo giorno di viaggio. Portava con sé rinforzi presi dalla guarnigione bizantina di Ancona, ma Giovanni si rifiutò di obbedire agli ordini di Belisario e di lasciare la città, costringendo i due a lasciare i rinforzi lì e di tornare a Roma con le guardie del corpo di Belisario che si trovavano a Rimini.