Sezon 2023/2024 W lipcu 2023 klub poinformował, że Martínez zostanie nowym kapitanem drużyny. 19 sierpnia rozegrał pierwszy mecz sezonu 2023/2024, występując przeciwko Monzie (2:0), w którym zdobył obie bramki dla swojej drużyny. 3 września, w wygranym 4:0 meczu 3. kolejki Serie A z Fiorentiną, strzelił dwa gole, dzięki czemu ze 107 trafieniami awansował na 10. miejsce w klasyfikacji najlepszych strzelców Interu Mediolan. 7 września znalazł się na liście nominowanych do nagrody Złotej Piłki France Football, jako jeden z dwóch piłkarzy Interu, razem z Nicolò Barellą. 30 września, w meczu 7. kolejki Serie A przeciwko Salernitanie (4:0), Martínez w odstępie 27 minut zdobył cztery bramki, stając się pierwszym piłkarzem w historii Serie A, który zanotował cztery trafienia, wchodząc z ławki rezerwowych. 7 października, w meczu z Bologną (2:2), Martínez strzelił swoją 10. bramkę w sezonie ligowym, dokonując tego w ośmiu meczach Serie A. Rozgrywając mecz Ligi Mistrzów UEFA z Red Bullem Salzburg (1:0), Martínez zanotował swój 250. występ w barwach Interu, strzelając 114 goli. 8 listopada zdobył gola z rzutu karnego w meczu z Salzburgiem (1:0), zapewniając awans Interowi do fazy pucharowej Ligi Mistrzów.