Pod koniec studiów zaczął specjalizować się w botanice i pracę doktorską – Plantarum horti academici Erlangensis enumeratio – poświęcił katalogowi ogrodniczemu według metody Linneusza.
W 1814 roku zdał egzaminy do instytutu Bawarskiej Akademii Nauk i został studentem (niem. élève), wspierając Schranka w prowadzeniu nowo założonego ogrodu botanicznego. W 1816 roku został adiunktem, a jego praca polegała na systematycznej identyfikacji i rozmieszczeniu roślin w ogrodzie botanicznym. W okresie tym często udawał się na wycieczki poznawcze, badając lokalną florę, a także roślinność w okolicach Salzburga i w Karyntii. Wyniki swoich badań zawarł w wydanym w 1817 roku dziele Flora cryptogamica Erlangensis. Von Martius cieszył się względami króla Bawarii Maksymiliana I. (1756–1825), którego często oprowadzał po ogrodzie botanicznym.