Martino è stato anche nel 1956 presidente del comitato dei tre «saggi» della NATO (i ministri degli esteri di Norvegia, Italia e Canada), autori del rapporto sui compiti dell'Alleanza Atlantica nella sfera civile. Lasciata la Farnesina nel 1957, è rieletto nel 1958 alla Camera. Nel 1960 e nel 1961 è Capo della delegazione parlamentare italiana alla XV e alla XVI Assemblea generale dell'ONU a New York e, dal 1962 al 1964, Presidente del Parlamento Europeo. Torna alla Camera nel 1967 dove resta fino alla morte.