ทีมเยาวชน

ในปี 2017 มาร์ติเนซลงเล่นให้ทีมชาติอาร์เจนตินาในฟุตบอลเยาวชนชิงแชมป์อเมริกาใต้ ในทัวร์นาเมนต์นั้นเขาทำประตูได้ 5 ประตูและจบลงด้วยการที่เขาเป็นผู้ทำประตูมากที่สุดของทัวร์นาเมนต์ ในการช่วยอาร์เจนตินาผ่านรอบคัดเลือกไปเล่นฟุตบอลโลกเยาวชนอายุไม่เกิน 20 ปี 2017[22]

ต่อมาเขามีชื่ออยู่ในทีมชาติอาร์เจนตินาชุดฟุตบอลโลกเยาวชนอายุไม่เกิน 20 ปีซึ่งจะทำการแข่งขันกันในเดือนพฤษภาคมปีนั้น ในระหว่างช่วงเวลาก่อนที่จะเริ่มทัวร์นาเมนต์ เขามีปัญหาจาการได้รับบาดเจ็บที่กระอ่อนจมูกของเขาหลังจากโดนเข่ากระแทกในเกมอุ่นเครื่องกับเวียดนาม[23] ผลจากอาการบาดเจ็บ เขาลงเล่นเป็นตัวสำรองให้อาร์เจนตินาในเกมแรกของทัวร์นาเมนต์ที่แข่งกับอังกฤษและถูกไล่ออกหลังจากกรรมการได้ดูวิดีโอการเข้าทำฟาวล์ใส่ฟิกาโย โทโมรีของเขา ด้วยสาเหตุนั้น ทำให้เขากลายเป็นผู้เล่นคนแรกที่ถูกไล่ออกหลังจากได้ดูวิดีโอตัดสิน และเกมนั้นจบลงด้วยการพ่ายแพ้ของอาร์เจนตินา 3-0[24][25][26] หลังจากพ้นโทษแบน เขากลับมาทำประตูให้อาร์เจนตินาเอาชนะกินีไป 5-0 แต่ว่าประตูของเขาก็ไม่มากเพียงพอที่จะทำให้อาร์เจนตินารอดพ้นจากการตกรอบแบ่งกลุ่มได้[27][28]

ทีมชุดใหญ่

ในวันที่ 12 มีนาคม 2018 มาร์ติเนซได้มีชื่อติดทีมชุดใหญ่ครั้งแรกในเกมกระชับมิตรกับอิตาลีและสเปน[29] เขาได้ลงเล่นครั้งแรกในวันที่ 27 มีนาคม ในฐานะตัวสำรองที่ลงมาเล่นแทนกอนซาโล อิกัวอิน ในเกมที่พ่ายแพ้ต่อสเปน 6-1[30] ในเดือนพฤษภาคม 2018 เขามีชื่อติดทีมชาติอาร์เจนตินาชุดฟุตบอลโลก 2018 ที่รัสเซีย ในการเรียกรอบแรกแต่ว่าถูกตัดชื่อออกในการคัดเลือกครั้งสุดท้าย[31][32]