En 1959 es nombrado Fiscal Militar dirigiendo las purgas contra las fuerzas militares y policiales que habían servido a Batista. Desde este puesto fue responsable del ajusticiamiento de aquellos elementos batistianos que habían cometido crímenes de lesa humanidad contra la población civil cubana y actuó como fiscal durante el Juicio de los aviadores.[2]
Al triunfo de las fuerzas rebeldes, fue nombrado ministro de Defensa Nacional del primer gabinete del gobierno revolucionario que presidió Manuel Urrutia Lleó, según decreto del 10 de enero de 1959. Pero siempre bajo las órdenes directas de Fidel Castro.
Martínez Sánchez fue el primer sustituto como primer ministro en el viaje de Castro a Nueva York en abril de 1959. En diciembre de ese mismo año, el automóvil de Martínez Sánchez fue objeto de un atentado de opositores al gobierno revolucionario, en el cual resultaron heridos tres de sus escoltas.[3]
A principios de los sesenta es nombrado Ministro del Trabajo, desde ese cargo ordenó el 5 de abril de 1960 la ocupación de la Confederación Nacional Obrera de Cuba ocasionando una condena internacional. El 13 de septiembre ordena la confiscación del Circuito CMQ y Radio Reloj de Cuba.[4] En 1964 fue destituido por Fidel Castro personalmente debido a fuertes acusaciones de corrupción.[5]
El 8 de diciembre de 1964, al parecer como consecuencia de errores en su trabajo, Augusto Martínez Sánchez se pegó un tiro en la cabeza en su intento de suicidio y sobrevivió.[6] No volvió nunca más a la vida pública. Pasó al retiro con el grado de coronel a finales de la década de los ochenta.
Entre octubre y diciembre de 2010 viajó con permiso a Miami, Estados Unidos de América donde su hijo mayor Augusto Martínez residía desde principios de la década de los ochenta; posteriormente el exmilitar cubano regresó a la isla. Su última voluntad fue ser incinerado y sus cenizas depositadas en el Panteón de los Veteranos del Cementerio de Colón, La Habana, Cuba.[1]