En 2017, il abandonne le Tour d'Italie. En fin de saison, il se classe septième de Milan-Turin et termine quatrième et meilleur jeune du Tour de Turquie, course membre du World Tour.
EF Education (2018-2020)
En 2018, il rejoint la formation World Tour EF Education First-Drapac. Il commence sa saison aux championnats nationaux sur route, où il termine deuxième du championnat de Colombie du contre-la-montre, derrière Egan Bernal. Il est cinquième de la nouvelle course colombienne, Colombia Oro y Paz. Il obtient son premier top 10 en Europe lors du Tour de Catalogne, où il se classe à la 7e place du classement général. Deux jours plus tard, il est hospitalisé et souffre d'amnésie après avoir été agressé par un automobiliste lors d'un entrainement en Toscane[2]. Il court ensuite les classiques belges pour la première fois de sa carrière, terminant 44e de la Flèche wallonne et 61e à Liège-Bastogne-Liège. Puis il est douzième du Tour de Romandie et troisième du Tour de Californie, son premier podium sur une course du World Tour. En juillet 2018, il participe au Tour de France, où il se classe 36e. En août, il est sixième et meilleur jeune de la Colorado Classic.
Il commence sa saison 2019 en devenant champion de Colombie du contre-la-montre, puis troisième du Tour Colombia. Lors de Paris-Nice, il se montre à son avantage lors des quatre dernières étapes. Il est cinquième du contre-la-montre plat de 25 kilomètres, puis il s'impose lors de l'arrivée au Col de Turini de la 7e étape[3] et se classe quatrième de la dernière étape. En juin, il chute à l'entraînement et se fracture le scaphoïde du poignet droit et le pouce de la main gauche[4]. Il prend part au Tour d'Espagne, où il n'obtient aucune performance notable. Après les mondiaux du Yorkshire, il se classe deuxième du Tour du Guangxi à cinq secondes d'Enric Mas. Il s'agit de son deuxième podium au général d'une course World Tour.
En 2021, il rejoint l'équipe Ineos Grenadiers. D'une précieuse aide en montagne, il permet à son compatriote et chef de file Egan Bernal de remporter le Tour d'Italie. Martínez a progressé tout au long de la course et est passé de la septième à la cinquième place du classement général le dernier week-end. Il a terminé troisième de la dernière étape de montagne qui s'est terminée à l'Alpe Motta dans la Valle Spluga, en emmenant et encourageant Bernal pour minimiser sa perte de temps face à son dauphin Damiano Caruso, vainqueur de l'étape.
Pour commencer la saison 2022, il devient pour la troisième fois champion de Colombie du contre-la-montre, un record sur l'épreuve. Il prend ensuite la troisième place du classement général du Tour de l'Algarve et de Paris-Nice. En avril, il remporte la quatrième étape du Tour du Pays basque, puis ravit le maillot jaune de leader de la compétition à Remco Evenepoel lors de la sixième et dernière étape. Il remporte ainsi sa deuxième course par étapes sur le Wolrd Tour. Il enchaine sur les classiques ardennaises, où il est cinquième de la Flèche wallonne et quatrième de Liège-Bastogne-Liège. Lors du Tour de Suisse (huitième du général) et du Tour de France, il fait partie d'une équipe Ineos Grenadiers qui comprend Adam Yates, Geraint Thomas et Tom Pidcock. Sur le Tour, il intègre le top 10 du classement général après la sixième étape, mais ses espoirs de bon classement général prennent fin après avoir perdu près d'une demi-heure sur les deux étapes de part et d'autre de la deuxième journée de repos, en raison d'une maladie[8]. Il retrouve la forme en fin de Tour et prend notamment l'échappée sur l'étape de Hautacam, où il joue un rôle d'équipier pour Geraint Thomas pour l'aider à assurer la dernière place sur le podium. En fin d'année, il remporte la Coppa Sabatini et se classe troisième du Tour de Toscane. Il conclut la meilleure saison de sa carrière dans le top 20 du Tour de Lombardie.
En février 2023, il remporte le classement général du Tour de l'Algarve. Il est sélectionné pour le Tour de France. Il chute durant la quatorzième étape. Une fois cette étape terminée, l'encadrement médical de son équipe s'aperçoit qu'il montre des signes de commotion cérébrale, ce qui entraîne son retrait de l'épreuve[9].
Bora-Hansgrohe (depuis 2024)
En août 2023, l'équipe Bora-Hansgrohe annonce le recrutement de Martínez à partir de janvier 2024[10]. En février 2024, il gagne deux étapes avec arrivées au sommet du Tour de l'Algarve chaque fois devant Remco Evenepoel et termine deuxième du classement général derrière le champion de Belgique. Il est sélectionné pour les Jeux olympiques de Paris 2024, mais ne se présente pas au départ du contre-la-montre en raison d'un problème de visa[11].
