Al començament de 1937 la brigada participa en el Setge del Santuari de la Mare de Déu de la Cabeza, on després d'un llarg setge va aconseguir posar fi a la resistència d'un grup de Guàrdies civils revoltats. Pel maig de 1937 ja ostentava el grau de Tinent Coronel de l'Exèrcit republicà. Després d'aquest èxit, Martínez Cartón es fa càrrec de la 64a Divisió del XIX Cos d'Exèrcit, que sota el seu comandament participà activament en la Batalla de Terol. El març de 1939 s'oposà militarment a l'establiment del Consell Nacional de Defensa, organisme que assumí el paper de govern provisional en el qual quedava de la República Espanyola després del cop militar del coronel Casado contra el Govern de Juan Negrín. La resistència de Martínez Cartón i els seus homes a Ciudad Real fou aixafada per l'Exèrcit d'Extremadura comandat pel General Escobar. Fracassada la seva resistència al cop d'Estat, amrxà a la Unió Soviètica.