Segunda División (2007-2010)

Debutó cola Real Sociedad el 26 d'agostu de 2007 nel partíu Real Sociedad 0 Castellón 2, primer partíu d'esa temporada.

Los sos trés temporaes cola Real Sociedad en Segunda División carauterizar pola irregularidá. Chris Coleman cuntó en principiu col navarru pal puestu de llateral derechu titular na so primer temporada, pero acabó l'añu movíu de la titularidá por un esperimentáu veteranu como Gerardo García León. Esa temporada 2007-08 xugó 15 partíos y marcó 2 goles. Nel so segundu añu llegó a xugar 24 partíos, pero tampoco llogró asitiase como titular. El so tercer añu foi paradigmáticu no que fai a la so carrera como futbolista hasta'l momentu. La marcha de Gerardo dexábalu a priori col puestu de titular, pero una mancadura na pretemporada dexó-y nel dique secu. L'entrenador Martín Lasarte "improvisó" al estremu Daniel Estrada como llateral derechu y tea cuayó un gran arranque de Lliga. Una vegada recuperáu de la so mancadura Carlos Martínez viose movíu de la titularidá por Estrada. Nun debutó hasta la xornada 15, cuayando un mal partíu, y el navarru nun tenía visos de recuperar el puestu nel equipu. Sicasí na xornada 18 Estrada mancar de gravedá y Carlos Martínez tornó al once titular a partir d'entós. Foi recuperando la so forma y acabó la temporada como titular indiscutible y nun gran momentu de forma y de xuegu.

El xugador anovó'l so contratu en xineru de 2010 por una temporada más, hasta'l 30 de xunu de 2011. Hasta la temporada 2009-10 lleva xugaos cola Real Sociedad 62 partíos nos que marcó 2 goles.

Primer División (2010 - actualidá)

El 29 d'agostu de 2010 debutó cola Real Sociedad na Primer división española nel primer partíu de la temporada 2010-11. Xugó como llateral derechu titular nel re-estreno del so equipu en Primer. El 29 de payares de 2010 volvió anovar el so contratu col club txuri urdin hasta xunu de 2014.

El día 8 d'avientu de 2012 llogró'l so primer gol en Primer división española, frente al Getafe Club de Fútbol, llogrando l'empate a 1 col que remató'l partíu.

El día 28 de febreru de 2013 anovó'l so contrató cola Real Sociedad por 5 años más hasta'l 2018, en tando cuayando la so meyor temporada desque llegara al conxuntu txuri urdin.

El día 1 de xunu de 2013, Carlos Martínez y el so Real Sociedad de Fútbol Real consiguen una histórica clasificación pa la Champions League en ganando al RC Deportivo de La Coruña, cuayando ésti la so meyor temporada como profesional.

La temporada 2013/14 tamién la empecipia como titular y con grandes actuaciones, debutando en Champions League el 2 d'ochobre de 2013 nuna derrota por 2:1 ante'l Bayer Leverkusen. Sicasí, a metá de campaña pierde'l puestu de titular en desterciu del nuevu Joseba Zaldua.

La siguiente temporada empezar de nuevu como suplente de Zaldua, pero tres la destitución del téunicu Jagoba Arrasate y la llegada del escocés David Moyes, Carlos recupera la titularidá nel llateral derechu. Sicasí, depués volver a perder y tan solo cúntense 15 partíos nel so casillero mientres la temporada.

Tres la destitución de Moyes en payares de 2015, y tres delles socesives mancadures, Carlos vuelve sentise futbolista cola llegada al banquín d'Eusebio Sacristán.

El 17 d'avientu de 2016, nun partíu contra'l Granada C.F., mancóse'l lligamentu cruciáu de la so rodía derecha, lo que-y obliga a perdese lo que resta de temporada 2016/17, xusto cuando s'atopaba n'unu de los meyores momentos de la so carrera. Finalmente, al acabar la lliga, la Real consiguió billete pa la Europa League.

Cuasi un añu dempués, remanez na Copa del Rei nun partíu ante'l Lleida Esportiu, nel que la Real foi sorpredentemente fecha risión por un rival de Segunda B en diendo ganando por 3-0 nel global de la eliminatoria a falta de 30 minutos, pa finalmente cayer pola regla del gol de visitante.

En mayu de 2018 anunció que va dexar la Real Sociedad a finales de la temporada, dempués de tar tola so vida en dichu club. Xugó'l so postreru partíu cola camiseta realista'l 12 de mayu de 2018 entrando como suplente nuna victoria por 3-2 ante'l C. D. Leganés, siendo homenaxáu nel mesmu tres el final del partíu xunto col so compañeru Xabi Prieto.