Martínez werd op 23 februari 2007 aangesteld als nieuwe coach bij Swansea City. In juni 2009 toonden zowel Celtic als Wigan Athletic interesse voor Martínez.[1] Op 15 juni 2009 werd hij aangesteld als nieuwe manager van Wigan Athletic. Zijn vertrek bij Swansea bracht veel controverse teweeg, temeer omdat Martínez verschillende malen had aangegeven dat hij absoluut bij Swansea City zou blijven. Sommige supporters noemden hem een judas. Martínez' eerste wedstrijd als manager van Wigan, een uitwedstrijd bij Aston Villa, werd met 0–2 gewonnen. Martínez redde Wigan drie seizoenen op rij van de degradatie.
Op 17 mei 2012 werd bekend dat Liverpool Martínez wilde overnemen van Wigan.[2][3] Hij wees de aanbieding echter af en Liverpool koos voor Brendan Rodgers als nieuwe manager. Nadat hij Wigan drie seizoenen op rij voor degradatie behoedde, slaagde hij er in het seizoen 2012/13 niet in om de club in de Premier League te houden. Wigan eindigde op de achttiende plaats, wat degradatie betekende. Vier dagen voor de beslissende nederlaag tegen Arsenal (4–1) won Wigan de FA Cup. Op Wembley werd Manchester City verslagen met 0–1. Het bestuur gaf Martínez vervolgens de vrijheid om te kiezen: blijven bij Wigan of vertrekken naar een grotere club.
Everton
Martínez werd op 5 juni 2013 aangesteld als manager van Everton, als opvolger van de naar Manchester United vertrokken David Moyes. Hij tekende een vierjarig contract bij The Toffees. In datzelfde jaar werd hij verkozen tot Catalaans Trainer van het Jaar.[4] Martínez maakte een goede start door er als eerste Everton-coach in te slagen zijn eerste zes Premier League-wedstrijden niet te verliezen.[5] Hij eindigde in zijn eerste jaar met Everton op de vijfde plaats in de competitie, een plek onder de posities die recht geven op deelname aan de UEFA Champions League. In de volgende jaren volgde twee keer een elfde plek. Everton ontsloeg hem in mei 2016, waarna hij werd opgevolgd door van de Southampton overgekomen Ronald Koeman.
België
Martínez werd op 3 augustus 2016 aangesteld als bondscoach van België, waar hij aantrad als opvolger van Marc Wilmots. Op donderdag 4 augustus 2016 gaf hij zijn eerste persconferentie, waarin hij verkondigde enkele nieuwe stafleden aan te trekken bij de KBVB. Een daarvan was de voormalige Franse spits Thierry Henry, die aantrad als zijn assistent bij de Rode Duivels. In de eerste wedstrijd onder leiding van Martínez, op 1 september2016, verloor België met 2–0 van Spanje.
Martínez leidde het Belgisch elftal naar een succesvolle kwalificatie voor het WK 2018 in Rusland. Met nog twee wedstrijden te gaan kwalificeerde België zich als eerste Europese team na een 1–2 overwinning in en tegen Griekenland. Op 17 mei 2018 raakte bekend dat Martínez voor twee jaar had bijgetekend als bondscoach.[6] In de maanden daarop behaalde hij een van zijn grootste sportieve successen als trainer door met België derde te eindigen op het WK. België werd derde na het verslaan van Engeland in de troostfinale. Martínez loodste België vervolgens ook probleemloos naar het EK 2020. In een kwalificatiegroep met Rusland, Schotland, Cyprus, Kazachstan en San Marino haalden de Rode Duivels een historische 30 op 30.
Sinds het vertrek van Chris Van Puyvelde naar de Chinese voetbalbond in oktober 2018 is Martínez ook technisch directeur van de KBVB.[7] Door die dubbelrol kreeg hij bij zijn contractverlenging tot 2022 in mei 2020 een jaarloon van drie miljoen euro.[8]
Op 15 november 2020 speelden de Rode Duivels hun vijftigste wedstrijd onder Roberto Martínez. België versloeg Engeland in deze jubileumwedstrijd met 2–0.
Op 1 december 2022 kondigde hij zijn vertrek aan nadat België zich onder zijn leiding op het WK 2022 niet had weten te kwalificeren voor de knock-outfase. Hij haalde net géén 80% van de punten in de competitiewedstrijden.[9]
Portugal
Op 9 januari 2023 werd bekendgemaakt dat Martínez de nieuwe bondscoach werd van Portugal, waar hij Fernando Santos opvolgde. Hij tekende een contract tot en met het WK van 2026.[10]
Wedstrijden als bondscoach van België
Samenvatting (bijgewerkt tot en met 1 december 2022)