Carlos Martínez trabaja en el Departamento de Inmunología y Oncología del Centro Nacional de Biotecnología del CSIC en Madrid, del que fue director desde 1996 hasta su nombramiento como presidente del CSIC en 2004. Ocupó este cargo hasta el 15 de abril de 2008, cuando fue nombrado Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Ciencia e Innovación. Asimismo, ha participado activamente en la creación de varias empresas de base tecnológica como Genetrix y Alma. Fue galardonado por la Real Sociedad de Ciencias Naturales en 1990 y por la Fundación Ciencias de la Salud en el año 2000. Obtuvo el XI Premio DuPont de Ciencia en 2001, el Premio Rey Jaime I a la Investigación Científica en 2003, el premio Lilly de Investigación Preclínica en 2004, el Premio a la Investigación Científica de Castilla y León, en 2004 y el Premio International Galen de Investigación Científica, también ese mismo año.  Ha publicado más de 460 artículos científicos. Ha recibido el premio DuPont de Ciencia en 2001; el premio Rey Jaime I de Investigación en 2003; y el premio Lilly de Investigación Preclínica en 2004, entre otros.

Durante su carrera, Martínez ha estudiado la función de los leucocitos en varias áreas, desde la inmunología celular hasta enfermedades autoinmunes. Ha analizado la activación de linfocitos, el papel de las respuestas quimiotácticas en situaciones fisiológicas y patológicas, y los mecanismos moleculares involucrados en el control de la muerte celular, y también con los mecanismos moleculares y celulares involucrados en la infección por VIH. Su actividad científica se refleja en numerosas publicaciones con más de 49.000 citas.