Podczas pobytu w Rio de Janeiro usłyszał, że Robert FitzRoy, kapitan HMS Beagle, poszukuje artystę, który zastąpiłby Augustusa Earle'a, który opuszczał wyprawę z powodu złego stanu zdrowia. Na statku Indus przybył do Montevideo, gdzie w lipcu 1833 dołączył do HMS Beagle i pozostał na pokładzie przez rok, do lipca 1834. W grudniu wraz z mniejszym statkiem HMS Adventure wyruszyli do Port Desire. W sierpniu przypłynęli do Rio Negro, w grudniu popłynęli na południe, wzdłuż wybrzeża Patagonii. W styczniu 1834 odwiedzili Port Desire i Port Julian, skąd przez Cieśninę Magellana udali się do Ziemi Ognistej. Od 10 marca do 7 kwietnia przebywali na wyspie Falkland Wschodni. W kwietniu i maju FitzRoy poprowadził ekspedycję śródlądową wzdłuż rzeki Santa Cruz podczas naprawy Beagle. W czerwcu okrążyli Przylądek Horn i dotarli na zachodnie wybrzeże Ameryki Południowej. Zbadali wyspę Chiloé i archipelag Chonos w południowym Chile.
Podczas pobytu na pokładzie Martens nawiązał trwającą całe życie przyjaźń z Charlesem Darwinem, który brał udział w wyprawie jako przyrodnik i przyjaciel kapitana.