Após ganhar a disputa com o Milan, o Atlético de Madrid desembolsou € 35 milhões ao Porto para contar com o atacante colombiano. Porém, o jogador não conseguiu emplacar uma boa sequência de jogos pelo Atléti. Prova disso são os números de Martínez com a camisa colchonera: em 15 jogos, marcou apenas três gols.