W lipcu 2012 Martínez za sumę 9 milionów euro przeszedł do FC Porto, podpisując czteroletni kontrakt z klauzulą wykupu wynoszącą 40 milionów. Tym samym został bohaterem najwyższego transferu w historii ligi meksykańskiej, bijąc poprzedni rekord należący do Javiera Hernándeza. W nowym zespole zadebiutował 11 sierpnia w wygranym 1:0 meczu z Académicą Coimbra o superpuchar Portugalii – Supertaça Cândido de Oliveira – kiedy to w końcówce spotkania zdobył zwycięskiego gola dla Porto.
15 lipca 2015 podpisał czteroletni kontrakt z hiszpańskim klubem Atlético Madryt, finalizując transfer na kwotę 35 mln euro.
2 lutego 2016 został przetransferowany do chińskiego klubu Guangzhou Evergrande za kwotę 42 milionów euro.
28 lutego 2018 roku rozwiązał kontrakt i przeniósł się do portugalskiego klubu Portimonrnse SC. 7 grudnia 2020 roku zakończył piłkarską karierę.