ב-2 בפברואר 2017, הוכרז כי מרטינז חתם על הארכה של חמש שנים עם סנט לואיס קארדינלס בשווי 51 מיליון דולר. ב-2 באפריל 2017, מרטינז הגיש את הפתיחה הראשונה בקריירה שלו, כששיחק נגד אלוף הסדרה העולמית.
שיקגו קאבס באצטדיון בוש. הוא הוציא 10 והרשה לא ללכת ושישה להיטים על פני סיבוב. הוא קיבל בלי החלטה כשראנדל גריצ'וק הכה בסיס-מלא בסיס-מלא בתחתית התשיעית. באצטדיון יאנקיס ב-15 באפריל, מרטינז הוציא 11 מכהנים, והלך שמונה, והפך לראשון שיצר את שני הסימנים האלה באותו משחק מאז רנדי ג'ונסון ב-1993. מרטינז סיים את הסיבוב בהפסד 3-2 לניו יורק. ב-10 ביוני, מרטינז הגיש את המשחק המלא הראשון שלו בקריירה והסגר תוך שהוא מאפשר ארבעה פגיעות כאשר הקרדינלים הביסו את פילדלפיה פילליס 7 ל 0.