Бывший чемпион в среднем весе по версии WBC и WBO, обладатель Бриллиантового пояса WBC.
Начал заниматься боксом в 20 лет.
Дебютировал в декабре 1997 года.
В октябре 2008 года Мартинес вышел на ринг против конголезца Алекса Бунемы. Мартинес доминировал весь бой: значительная часть его атак доходил до цели. Конголезец в ответ ничего не мог сделалть. В перерыве между 8-м и 9-м раундами врач осмотрел Бунему, и посоветовал прекратить бой. Аргентинец победил техническим нокаутом.
В феврале 2009 года Мартинес вышел на ринг против известного пуэрториканца и бывшего чемпиона мира в полусреднем весе Кермита Синтрона. Синтрон весь бой пытался навязать противнику обмен ударами, в то время как Мартинес пытался держаться на расстоянии. В 5-м раунде Синтрон заработал рассечение, которое было объявлено, как результат столкновения головами. В конце 7-го раунда Мартинесу удалось отправить Синтрона на пол левым прямым, и рефери сделал отмашку об окончании встречи. Однако Синтрон начал сильно протестовать, указывая на то, что якобы удар был нанесен головой, хотя в действительности это было не так. В итоге рефери продолжил встречу, отметив, что Синтрон смог подняться на счет "девять". В дальнейшем Мартинес несколько уступил инициативу, а в 12-м раунде был оштрафован за удар по затылку, что по итогам боя и стоило ему победы. По итогам 12-раундовой встречи большинством голосов судей результатом поединка была объявлена ничья: 116-110 в пользу Мартинеса и дважды 113-113.
В декабре 2009 года Мартинес поднялся в средний вес и встретился со звездным американцем Полом Уильямсом, заменив травмировавшегося в процессе подготовки к бою Келли Павлика. Оба противника побывали в 1-м раунде в нокдаунах, при этом падение Мартинеса носило скорее характер "флэша", а Уильямс был сильно потрясен. Используя замешательство оппонента, Мартинес хорошо выглядел во 2-м и 3-м раундах, но начиная с 4-й трехминутки, Уильямс взял инициативу в свои руки и выровнял ход встречи. Концовка боя прошла в острой и конкурентной борьбе. По итогам 12-ти раундов равного противостояния, судьи спорным решением большиства отдали победу Уильямсу. Один из судей поставил в пользу Уильямса счет 119-110, который не совсем соответствовал происходящему в ринге.
В апреле 2010 года Мартинес встретился с обладателем титулов WBC и WBO в среднем весе Келли Павликом. Успех Мартинесу принесли высококачественные действия вторым номером: Павлик, с 1-го раунда боксировавший с рассечением над правым глазом, которое всё больше увеличивалось и мешало ему с течением боя, безрезультатно преследовал соперника по пятам, но в основном лишь нарывался на одиночные и многоударные атаки Серхио. В 7-м раунде Павлику удалось отправить аргентинца в лёгкий нокдаун, но тот не был потрясён, и бой продолжился с тем же рисунком. В итоге 12-раундовое противостояние завершилось судейским вердиктом в пользу Мартинеса: 115-112, 115-111 и 116-111. Мартинес стал новым чемпионом мира в среднем весе по двум версиям.
В ноябре 2010 года состоялся реванш между Серхио Мартинесом и Полом Уильямсом. На кону стоял принадлежащий Мартинесу титул WBC в среднем весе. Хороший и насыщенный 1-й раунд намекал на продолжительный бой, но уже во 2-й трехминутке Мартинес нанес мощнейший удар слева в голову Уильямса, и тот оказался в глубоком нокауте.
В марте 2011 года Мартинес вышел на ринг против обладателя титула WBO в 1-м среднем весе, украинца Сергея Дзинзирука. На кону стоял вакантный диамантовый титул WBC в среднем весе. Позиционный бой начался с противостояния джебов. Сергей был аккуратнее, однако Мартинес – гораздо разнообразнее и активнее с другими ударами. "Зажатость" Дзинзирука и его скупые действия в атаке привели к тому, что практически все раунды записал себе в актив аргентинец. В 4-м раунде Сергею отсчитали флэш-нокдаун, в конце 5-го – уже вполне серьёзный нокдаун. Дзинзирук неплохо восстановился в 6-м, вырвав его за счет классной работы на контратаках, а в 7-м даже немного "посек" Мартинеса над левым глазом. На протяжении одной минуты в 8-м раунде Серхио трижды отправлял Дзинзирука на настил ударами слева. После третьего нокдауна рефери остановил бой, не начиная отсчет.
В октябре 2011 года Мартинес встретился с британцем Дэрреном Баркером. Первая половина боя прошла в равной борьбе, но начиная с 7-8 раундов, Мартинес начал завладевать инициативой и в итоге нокаутировал Баркера в 11-й трехминутке, проведя два не очень точных, но сильных правых боковых в голову.
В марте 2012 года Мартинес встретился с еще одним британцем Мэттью Мэклином. Первая половина боя проходила в равной борьбе, Мартинес проявлял активность только по мере необходимости. В значительной мере подстегнул Серхио нокдаун в 7-м раунде, в который он отправился после точного бокового Мэклина, дополненного спотыканием самого аргентинца. Увеличив количество выбрасываемых ударов, Мартинес завладел преимуществом после случившегося, и в конце 11-го раунда его усилия воплотились в два нокдауна Мэттью, отправлявшегося на настил после левых аргентинца. В довершение ко всему, британец обзавелся рассечением, и угол не выпустил его на финальную трехминутку.