Jego kadra zanotowała natomiast dwa zwycięstwa i dwie porażki, nie awansując do rundy finałowej, wskutek czego nie zdołała się zakwalifikować na Mistrzostwa Świata U-17 w Finlandii.
W 2005 roku Martínez znalazł się w składzie reprezentacji Paragwaju U-20 na kolejne Mistrzostwa Ameryki Południowej U-20, gdzie tym razem nie miał tak mocnej pozycji w pierwszej jedenastce i na boiskach pojawiał się trzykrotnie, nie zdobywając bramki. Paragwajczycy, ponownie prowadzeni przez Maldonado, nie awansowali ostatecznie na Mistrzostwa Świata U-20 w Holandii, odpadając z rozgrywek kontynentalnych już w pierwszej rundzie.
W seniorskiej reprezentacji Paragwaju Martínez zadebiutował za kadencji selekcjonera Gerardo Martino – swojego byłego trenera z Libertadu – 15 października 2008 w wygranym 1:0 spotkaniu z Peru, w ramach eliminacji do Mistrzostw Świata 2010, na które jego drużyna zdołała się zakwalifikować. W 2010 roku znalazł się we szerokim składzie Paragwaju na Mistrzostwa Świata w RPA, jednak ostatecznie nie został powołany przez selekcjonera Martino do finalnej kadry na mundial. Premierowego gola w kadrze narodowej strzelił 12 października 2010 w wygranym 2:0 meczu towarzyskim z Nową Zelandią.