Empezó a cosechar los primeros triunfos en el Motril CF, y llamó la atención del Sevilla FC que lo captó en la temporada 2009, para entrenar en las categorías inferiores.
Llegó a colaborar con los técnicos del primer equipo sevillista hasta que fichó por CA Osasuna, en la temporada 2017-18.
No consiguió el ascenso a Primera y marchó al Granada CF, también en Segunda, con el que sí logró el éxito de llevar al equipo a la máxima categoría.
Se le concedió el Trofeo Miguel Muñoz al mejor entrenador de Primera y de Segunda.

En la temporada 2019-20, con el equipo granadino hizo historia, ya que con un pequeño presupuesto clasificó al equipo para la UEFA Europa League, y en la temporada siguiente llevaría al Granada CF hasta Cuartos de la competición europea.

Después de tres años en Granada DIEGO MARTÍNEZ se tomó un año sabático y en la temporada 2022-23 llegó al RCD Espanyol, para liderar un nuevo proyecto deportivo.

El equipo no funcionó, y DIEGO MARTÍNEZ fue destituido en la jornada 27, tras la cuarta derrota consecutiva (Girona FC -
RCD Espanyol: 2-1), con el equipo antepenúltimo con 27 puntos.

Tuvo que gestionar una plantilla claramente descompensada, con una defensa poco fiable y sin extremos, y no consiguió que fuese competitiva.