Jabarkan Atlanta United dari Josef Martínez

Pada 2 Februari 2017, Martínez dipinjamkan dengan opsi pembelian ke tim perluasan Major League Soccer, Atlanta United. Dia melakukan debut liga pada 5 Maret dengan kekalahan kandang 2-1 melawan New York Red Bulls. Dia mencetak hat-trick karir pertamanya, dan hat-trick pertama dalam sejarah klub, dalam kemenangan 6-1 di Minnesota United pekan berikutnya.

Pada 21 Maret, Atlanta mengumumkan bahwa mereka telah mengaktifkan klausul pembelian. Dia dinobatkan sebagai MLS Player of the Month untuk bulan Maret setelah mencetak lima gol dalam tiga pertandingan pertamanya di liga.

Pada tanggal 23 Maret, saat bermain untuk tim nasional Venezuela melawan Peru, Martínez mengalami cedera paha depan kirinya. Setelah lebih dari dua bulan pemulihan, dia kembali beraksi dan kemudian cedera lagi selama musim panas. Sekembalinya dari cedera kedua, dia mencetak hattrick dalam dua pertandingan berturut-turut melawan New England Revolution dan Orlando City, dan dinobatkan sebagai MLS Player of the Month untuk September 2017. Atlanta United finis imbang untuk posisi ketiga di Wilayah Timur, tetapi tersingkir di babak pertama Playoff Piala MLS oleh Columbus Crew. Meski hanya membuat 20 penampilan (semua kompetisi) karena cedera, Martínez menyelesaikan tahun pertamanya di Atlanta keempat di liga dalam hal mencetak gol, dengan 20 gol di semua kompetisi, dan masuk dalam MLS Best XI untuk musim 2017.