Va començar a obtenir els primers triomfs al Motril CF, i va cridar l'atenció del Sevilla FC que el va captar la temporada 2009, per entrenar a les categories inferiors.
Va arribar a col·laborar amb els tècnics del primer equip sevillista fins que va fitxar per CA Osasuna, la temporada 2017-18.
No va aconseguir l'ascens a Primera i va marxar al Granada CF, també a Segona, amb el que sí va aconseguir l'èxit de portar l'equip a la màxima categoria. Se li va concedir el Trofeu Miguel Muñoz al millor entrenador de Primera i de Segona.

A la temporada 2019-20, amb l'equip granadí va fer història, ja que amb un petit pressupost el va classificar per a la UEFA Europa League, i la temporada següent va portar al Granada CF fins a Quarts de la competició europea.

Després de tres anys a Granada DIEGO MARTÍNEZ es va prendre un any sabàtic i la temporada 2022-23 va arribar al
RCD Espanyol, per a liderar un nou projecte esportiu.

L'equip no va funcionar i DIEGO MARTÍNEZ va ser destituït a la jornada 27, després de la quarta derrota seguida (Girona FC- RCD Espanyol: 2-1), amb l'equip avantpenúltim amb 27 punts.

Va tenir que gestionar un equip clarament descompensat, amb una defensa poc fiable, i sense extrems, i no va aconseguir que fos un equip competitiu.