Od 2010 r. związał się z aktorką Halle Berry, a 11 stycznia 2012 zaręczył się z nią. Razem zagrali parę małżeńską w thrillerze Śmiertelna głębia (Dark Tide, 2011). 22 listopada 2012 r. do domu Halle Berry przyszedł jej były partner życiowy Gabriel Aubry, by zobaczyć się ze swoją 4-letnią córką Nahlą Ariel Aubry, choć miał ograniczone prawa rodzicielskie. Jego nachalne zachowanie nie spodobało się Martinezowi i doszło do rękoczynów. Aubry znalazł się w areszcie, wyszedł po wpłaceniu 20 tys. dolarów kaucji. 13 lipca 2013 r. w regionie Burgundii Martinez i Halle Berry wzięli kameralny ślub. Mają syna Maceo Roberta (ur. 5 października 2013 w Los Angeles). Jednak 28 października 2015 doszło do rozwodu.
Filmografia Filmy fabularne 1990: Plein fer jako Pascal 1992: IP5 (IP5: L'île aux pachydermes) jako Tony 1992: Les Paroles invisibles 1993: Raz, dwa, trzy, słońce (Un, deux, trois, soleil) jako Petit Paul 1995: Huzar (Le Hussard sur le toit) jako Angelo Pardi 1996: Mój mężczyzna (Mon homme) jako Jean-François 1997: Pokojówka z „Titanica” (La Femme de chambre du Titanic) jako Horty 1999: La Ciudad de los prodigios jako Onofre Bouvila 2000: Pogromca byków (Bullfighter) jako Jack 2000: Zanim zapadnie noc (Before Night Falls) jako Lázaro Gómez Carriles 2000: Toreros jako Manuel 2000: La Taule 2000: Kobieta (Nosotras)