Martinez tercatat memimpin Belgia pada Piala Dunia 2018 dan berhasil membawa tim tersebut mencapai semifinal sebelum kalah dari Prancis. Namun, perjalanan Belgia pada Piala Dunia 2022 berakhir lebih cepat setelah tersingkir di fase grup.
Setelah itu, Martinez menangani Portugal dan membawa Cristiano Ronaldo serta kawan-kawan mencapai perempat final Euro 2024. Dia juga mendampingi Portugal pada Piala Dunia 2026 sebelum langkah mereka terhenti di babak 16 besar usai kalah 0-1 dari Spanyol.
Dalam turnamen tersebut, Martinez sempat mendapat kritik karena dianggap terlalu sering mempertahankan Cristiano Ronaldo di lapangan. Meski begitu, Ronaldo tetap mampu mencetak tiga gol dalam lima pertandingan, termasuk dua gol saat Portugal menang 5-0 atas Uzbekistan.