El 31 de mayo del 2013, Mario Salas confirmó la presencia de Martínez junto a los otros veintidós jugadores chilenos que disputaron el Mundial de Turquía. En la fase de grupos, el jugador participó en los tres partidos que jugó Chile en el , en el cual finalmente quedaron segundos con cuatro puntos, detrás del seleccionado iraquí. Para octavos de final se enfrentaron a Croacia, a la que vencieron por 2-0 con un tanto de Nicolás Castillo y un autogol de Jozo Šimunović. Este fue el último encuentro del futbolista en el torneo, debido a que frente al conjunto europeo recibió una tarjeta amarilla y quedó suspendido para el partido frente a Ghana, que eliminó a los chilenos tras ganar la prórroga por 4-3.