Martins speelde twaalf interlands voor Portugal onder 21, waarin hij zeven goals maakte. Na het wereldkampioenschap 2006 werd hij voor het eerst opgeroepen voor Portugal en maakte hij zijn debuut tegen Finland. Na zijn seizoen bij Granada CF werd hij geselecteerd voor de definitieve selectie van Portugal voor het Europees kampioenschap 2012. De middenvelder moest zich echter afmelden met een spierblessure. Hugo Viana werd opgeroepen als vervanger van de geblesseerde Martins. Hij vertegenwoordigde zijn vaderland op de Olympische Spelen 2004 in Athene.