בצעירותו היה מרטינס חלק מנבחרת הנוער של ספרד ואחר כך שיחק בנבחרות הצעירות. בשנת 2007 זכה מרטינס עם נבחרת ספרד עד גיל 19 באליפות אירופה. לאחר מכן, מרטינס היה חלק מנבחרת ספרד בכדורגל עד גיל 21, עמה השתתף באליפות אירופה בכדורגל עד גיל 21 - 2009, ממנה הודחה ספרד כבר בסיבוב הראשון. ב-20 במאי 2010 נכלל בסגל הסופי של ויסנטה דל בוסקה מאמן נבחרת ספרד הבוגרת למונדיאל 2010. במאי 2010 ערך מרטינס את הופעת הבכורה בנבחרת הבוגרת, כאשר החליף את צ'אבי בניצחון 2–3 על נבחרת ערב הסעודית במשחק הכנה למונדיאל, וכמה ימים לאחר מכן פתח בהרכב בניצחון 0–1 על נבחרת קוריאה הדרומית במשחק הכנה נוסף, והוחלף על ידי דויד סילבה. במונדיאל 2010 עצמו, מרטינס ערך הופעה אחת, כשנכנס כמחליף במקום צ'אבי אלונסו בניצחון 1–2 על נבחרת צ'ילה בשלב הבתים. מרטינס היה חלק מזכייתה ההיסטורית של ספרד במונדיאל זה, שהייתה הזכייה הראשונה של ספרד במונדיאל אי פעם. בשנת 2011 חזר מרטינס לנבחרת עד גיל 21, והשתתף עמה כקפטן באליפות אירופה בכדורגל עד גיל 21 - 2011. מרטינס זכה עם ספרד באליפות זו, לאחר ניצחון 0–2 בגמר על הנבחרת המקבילה של שווייץ. מרטינס נכלל בנבחרת הטורניר של אליפות זו.