2017ko otsailaren 2an, iragarri zen Martínezek bost urteko kontratua sinatu zuela St. Louis Cardinalsekin, 51 milioi dolarreko balioa. 2017ko apirilaren 2an, Martinezek bere karrerako estreinako estreinaldia egin zuen, Munduko Serieetako txapelduna defendatuz.
Chicagoko Cubs taldea Busch Estadioan dago. 10 strike bota zituen, bat ere onik ez. 6 touchdown lortu zituen partidan. Randal Grichukek ez zuen erabakirik hartu. Apirilaren 15ean Yankees estadioan, Martínezek 11 bateatzaile bota zituen eta zortzi ibili zituen, 1993ko Randy Johnsonen ondoren bi marka horiek partidu berean erregistratzen dituen lehena bihurtuz. Martínezek 3-2 galdu zuen New York-en. Ekainaren 10ean, Martinezek bere karrerako lehen partidu osoa eta shutout bat bota zituen, eta lau kolpe onartu zituen, Cardinalsek Philadelphia Phillies 7-0 garaitu zutenean.