Nel circuito maggiore ha disputato tre finali in singolare e ha vinto il titolo al Chile Open 2022. Ha vinto un torneo ATP anche in doppio all'Austrian Open 2022. Vanta inoltre diversi titoli sia in singolare che in doppio nei circuiti minori. I suoi migliori ranking ATP sono il 39º in singolare nell'ottobre 2024 e il 51º in doppio nel maggio 2022. Ha esordito nella squadra spagnola di Coppa Davis nel marzo 2022.
Nel 2012 fa la sua prima apparizione tra i professionisti nel circuito ITF Futures e nelle prime stagioni gioca saltuariamente. Ha vinto la Coppa Davis Junior 2013 e nel febbraio 2014 vince il primo titolo al torneo di doppio ITF del Futures Spain F1. Inizia a giocare con continuità nel maggio 2015 e il mese dopo gioca e perde la prima finale Futures in singolare. Dopo aver vinto altri quattro tornei Futures in doppio, il primo titolo in singolare arriva nel marzo 2016 al Croatia F3. Nel corso della stagione ne vincerà altri tre in singolare e tre in doppio. A settembre consegue i primi risultati di rilievo nel circuito Challenger a Meknes, raggiungendo la finale in doppio e la semifinale in singolare. Nel 2017 continua ad avere successo in doppio nei tornei ITF, vincendone 8 e raggiungendo a novembre la 206ª posizione del ranking. In doppio ne vince solo uno e non va oltre la 249ª posizione. A novembre perde la finale di doppio al Challenger di Pune.
2018, primi titoli Challenger e top 200 nel ranking
Al suo terzo tentativo, nell'aprile 2018 supera per la prima volta le qualificazioni di un torneo ATP a Marrakech battendo i quotati Ernests Gulbis e Il'ja Ivaška ed esce di scena al primo turno per mano di João Sousa. Prende parte con una wild-card all'ATP di Barcellona e viene di nuovo sconfitto al primo turno. Fa la sua prima esperienza in una prova del Grande Slam perdendo al primo turno di qualificazione al Roland Garros. A giugno disputa il suo ultimo torneo ITF e chiude l'esperienza dopo aver vinto 8 titoli in singolare e 18 in doppio. A luglio conquista il primo titolo Challenger a Båstad con il successo in finale su Corentin Moutet per 7-6, 6-4. Il mese successivo si spinge fino al terzo turno nelle qualificazioni degli US Open. Alla sua quinta finale in doppio nel circuito Challenger, vince il primo titolo a novembre a Siviglia, dove in coppia con Gerard Granollers Pujol sconfigge in finale Daniel Gimeno Traver / Ricardo Ojeda Lara. Entra nella top 200 del ranking in entrambe le specialità, raggiungendo il 152º posto in singolare a dicembre e il 151º in doppio a novembre.
Eliminato nel turno decisivo alle qualificazioni degli Australian Open 2019, le supera a febbraio al torneo ATP di San Paolo del Brasile e viene sconfitto al primo turno. A maggio entra per la prima volta nel tabellone principale di un torneo del Grande Slam al Roland Garros e viene eliminato al primo turno da Henri Laaksonen. Nel corso del 2019 raggiunge nei Challenger una finale in singolare e quattro in doppio e vince solo quella di doppio in settembre a Siviglia. Compie però progressi in classifica solo in singolare, portando ad aprile il best ranking alla 126ª posizione.
Nel 2020 ottiene la sua prima vittoria nel circuito maggiore agli Australian Open, battendo al primo turno Dominik Koepfer e venendo sconfitto al turno successivo da Daniil Medvedev. A febbraio supera il primo turno anche all'ATP 250 di Córdoba, dove vince anche il suo primo incontro in doppio nel circuito maggiore. Subito dopo disputa per la prima volta i quarti di finale nel circuito maggiore all'ATP 500 di Rio de Janeiro, dove elimina i top 100 Hugo Dellien e Pablo Andujar prima della sconfitta subita contro Attila Balazs. Eliminato al primo turno al suo esordio nel main draw degli US Open, al primo turno degli Internazionali d'Italia batte il nº 46 ATP Sam Querrey e perde al secondo turno contro Denis Shapovalov. Al Roland Garros si spinge fino al terzo turno con i successi su Aleksandar Vukic e Michail Kukuškin ed esce di scena per mano di Sebastian Korda, a fine torneo entra per la prima volta nella top 100. Si aggiudica quindi al Challenger di Marbella i titoli sia in singolare che in doppio e porta il best ranking in singolare all'82ª posizione mondiale.
Martínez al Roland Garros 2021
2021, semifinale al Roland Garros e top 100 in doppio, prima finale ATP e top 60 in singolare
Nel 2021 raggiunge per la prima volta il terzo turno agli Australian Open e non supera il secondo turno nei tornei del periodo successivo. Accede come alternate al torneo di doppio del Roland Garros insieme a Pablo Andújar, grazie al ritiro per positività al COVID-19 delle teste di serie numero 1 Nikola Mektić / Mate Pavić,[1] si spingono fino alla semifinale e vengono eliminati da Aleksandr Bublik / Andrej Golubev; guadagna 94 posizioni nel ranking di doppio ed entra per la prima volta nella top 100. Fa quindi il suo esordio assoluto a Wimbledon, al secondo turno elimina il nº 17 del ranking Gaël Monfils e viene sconfitto al terzo turno da Cristian Garín. A luglio raggiunge la semifinale in doppio anche all'ATP di Umago. Subito dopo disputa la sua prima finale ATP a Kitzbühel, batte tra gli altri il nº 16 ATP Bautista Agut e viene sconfitto da Casper Ruud con il punteggio di 1-6, 6-4, 3-6. Anche a Kitzbühel arriva in semifinale in doppio, risultato con cui porta il best ranking all'87º posto. Verso fine stagione vince il titolo in singolare al Challenger di Siviglia, mentre all'ATP di Mosca raggiunge la semifinale in doppio e i quarti in singolare. A fine torneo sale al 58º posto nella classifica di singolare.
2022, primi titoli ATP, top 40 in singolare e 51º in doppio
All'esordio stagionale rappresenta per la prima volta la Spagna da professionista all'ATP Cup, viene schierato solo in doppio, vince i due incontri giocati in coppia con Alejandro Davidovich Fokina e perde i due giocati assieme a Albert Ramos Viñolas, contribuendo al raggiungimento della finale, nella quale non viene impiegato. A fine febbraio conquista il suo primo titolo ATP a Santiago sconfiggendo in finale Sebastián Báez con il punteggio di 4-6, 6-4, 6-4. Subito dopo debutta in Coppa Davis in occasione della sfida vinta 3-1 contro la Romania, gioca in doppio con Davidovich Fokina e vengono sconfitti da Marius Copil / Horia Tecau. Consegue discreti risultati nei primi Masters 1000 stagionali, arrivando per la prima volta al terzo turno in questa categoria a Miami, e a maggio porta il best ranking alla 40ª posizione. Quello stesso mese migliora il best ranking anche in doppio, salendo alla 51ª posizione dopo aver raggiunto il terzo turno agli Australian Open e i quarti di finale a Rio de Janeiro e Barcellona. Dopo un periodo negativo, a luglio raggiunge i quarti di finale in singolare a Gstaad e vince a Kitzbühel il suo primo torneo ATP in doppio battendo in finale assieme a Lorenzo Sonego gli specialisti Michael Venus / Tim Pütz; in singolare esce di scena nei quarti di finale. Nel prosieguo della stagione perde quasi tutti gli incontri disputati e torna al successo solo all'ATP 500 di Tokyo, dove raggiunge i quarti di finale in singolare e in doppio.
2023, una semifinale ATP in doppio, due titoli Challenger e uscita dalla top 100 in singolare
In singolare inizia la stagione raggiungendo i quarti a Pune e nel periodo successivo subisce un calo di rendimento che a febbraio lo porta a uscire dalla top 100. Nelle prove stagionali del Grande Slam vince solo i tre incontri di qualificazione al Roland Garros. In doppio si spinge fino alle semifinali a Santiago e al Challenger 175 di Phoenix. Nei mesi successivi ottiene pochi risultati di valore e solo nei Challenger. Dopo aver perso due semifinali in singolare e un'altra in doppio, a settembre perde in finale al Città di Como Challenger contro Thiago Seyboth Wild e la settimana successiva vince il torneo di doppio al Challenger 125 di Siviglia assieme ad Alberto Barroso Campos. Verso fine anno vince in singolare i titoli nei Challenger di Brest e Maspalomas, superando nelle rispettive finali Benjamin Bonzi e Kilian Feldbausch.
2024, una finale ATP e 39º nel ranking di singolare
Nei successivi 5 tornei vince solo un incontro al Roland Garros, si riscatta raggiungendo la semifinale all'ATP 500 dell'Hamburg European Open nella quale viene sconfitto da Alexander Zverev dopo le vittorie sui top 40 Matteo Arnaldi e Francisco Cerundolo. Fa il suo esordio olimpico in singolare ai Giochi di Parigi e non supera il primo turno. Esce all'esordio anche nei due Masters 1000 nordamericani e al secondo turno agli US Open, mentre al Chengdu Open arriva nei quarti. In ottobre si aggiudica il Challenger 125 di Valencia battendo in finale Jaime Faria e porta il miglior ranking alla 39ª posizione.
Spagna
Chile Open, Santiago
Sebastián Báez
Austrian Open, Kitzbühel
Casper Ruud
Estoril Open, Estoril
Hubert Hurkacz
Lorenzo Sonego
Michael Venus 
Tim Pütz
Croatia F3, Pola
Zdeněk Kolář
Bulgaria F3, Stara Zagora
Germain Gigounon
Tunisia F16, Hammamet
Lamine Ouahab
Egypt F3, Sharm el-Sheikh
Vladyslav Manafov
Båstad Challenger, Båstad
Corentin Moutet
Kilian Feldbausch
Radu Albot
Alexander Ward
Thiago Seyboth Wild
Brandon Nakashima
Ivan Gakhov 
Alexis Klegou 
Luis David Martínez 
Sriram Balaji
Australian Open, Melbourne
Giochi Olimpici
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