En su carrera de 18 años en las Grandes Ligas, Pedro Martínez pasó por cinco organizaciones diferentes: los Dodgers de Los Angeles, los Expos de Montreal, los Medias Rojas de Boston, los Mets de Nueva York y los Filis de Filadelfia.

Y desde que hizo su debut en 1992 con los Dodgers, hasta que tiró su última pelota en las mayores con los Filis de Filadelfia en el 2009, Martínez brilló con intensidad en cada una de las franquicias para las que jugó.

Los Angeles Dodgers. Martínez fue firmado originalmente por los Dodgers de Los Angeles como amateur en 1988. Después de lanzar por varios años en el equipo de liga menor de los Dodgers, hizo su debut de grandes ligas el 24 de septiembre de 1992 en el juego de los Dodgers contra los Rojos de Cincinnati, trabajando dos entradas sin permitir anotaciones como relevista. Hizo su primera apertura con los Dodgers el 30 de septiembre, permitiendo dos carreras y perdiendo ante los Rojos 3-1.

Montreal Expos. Fue con los Expos que se convirtió en uno de los mejores lanzadores del béisbol. El 3 de junio de 1995, Martínez lanzó nueve entradas perfectas en un partido contra los Padres de San Diego, antes de dar una base por golpe en la parte inferior de la 10.ª entrada. Martínez se retiró inmediatamente del juego, y fue el lanzador ganador en la victoria de Montreal 1-0.

En 1997, Martínez logró un récord de 17-8 para los Expos, y lideró la liga en efectividad con 1.90, ponches con 305 y 13 juegos completos lanzados; convirtiéndose en el único jugador de los Expos en ganar el Premio Cy Young de la Liga Nacional. Pedro Martínez fue también el primer lanzador derecho en llegar a 300 ponches con una efectividad por debajo de 2.00 desde Walter Johnson en 1912. Los 13 juegos completos estaban empatados en el segundo total más alto en una temporada en todo el béisbol desde que la carrera de Martínez comenzó (Curt Schilling tuvo 15 en 1998; Chuck Finley y Jack McDowell también llegaron a 13 en un año). Sin embargo, este total de 1997 es, con mucho, el más alto en la carrera de Martínez, ya que sólo completó 7 en el año 2000.

Boston Red Sox. Martínez fue cambiado a los Medias Rojas de Boston en noviembre de 1997 por Carl Pavano y Tony Armas, Jr., y fue firmado para un período de seis años, con un contrato de US$75,000,000 (con una opción para un séptimo año y $17 millones) por el gerente general de los Medias Rojas Dan Duquette, siendo el más grande jamás otorgado a un lanzador en ese momento. Martínez de inmediato justificó su pago en 1998, con un récord de 19-7 y terminó segundo en la Liga Americana en efectividad, WHIP, ponches, y en las votaciones para el premio Cy Young. En 1999, Martínez lanzó una de las temporadas más grandes de todos los tiempos, terminando con 23-4, con una efectividad de 2.07 y 313 ponches (ganando la triple corona), ganando por unanimidad su segundo premio Cy Young (esta vez en la Liga Americana), y terminando en segundo lugar en la mayoría de las votaciones para Jugador Más Valioso.

En 1999, Martínez se convirtió en el octavo lanzador moderno en tener una segunda temporada de 300 ponches, junto con Nolan Ryan (6 veces), Randy Johnson (tercera vez en 1999, y tres veces más desde entonces), Sandy Koufax (3 veces),Rube Waddell, Walter Johnson, Sam McDowell, J.R. Richard, y Curt Schilling. Entre agosto de 1999 y abril de 2000, Martínez tuvo diez juegos consecutivos abriendo con 10 o más ponches. Sólo tres lanzadores han tenido hasta siete aperturas en una fila, y uno de ellos fue el propio Martínez, en abril-mayo de 1999. Promedió más de 15 ponches por cada nueve entradas durante su racha récord de 10 partidos. Durante la temporada de 1999, estableció el récord de más entradas lanzadas consecutivas con un ponche, con 40. En su carrera, Martínez ha recopilado 15 o más ponches en un juego diez veces, empatando con Roger Clemens en el tercer puesto. (Nolan Ryan con 27, y Randy Johnson con 29). Después de 1999, Martínez tuvo tal vez su mejor año en el 2000. Martínez registró una extraordinaria efectividad de 1.74, la más baja de la Liga Americana desde 1978, mientras ganaba su tercer premio Cy Young. Roger Clemens con efectivodad de 3.70 fue la segunda más baja de la Liga Americana, pero fue casi el doble que el registrado por Martínez.

El récord de Martínez fue 18-6, pero podría haber sido aún mejor. En sus seis derrotas, Martínez tuvo 60 ponches, 8 paseos, y 30 hits permitidos en 48 innings, con una efectividad de 2.44 y un WHIP de 0.79, mientras promediaba 8 entradas por salida.

didos fue menor que el líder total en efectividad de la Liga Nacional (Kevin Brown 2,58). El lanzador de los Yankees Andy Pettitte superó a Martínez como mejor lanzador de la liga en dos ocasiones, otras cuatro derrotas de Martínez fueron por una carrera cada una. La primera derrota del año de Martínez fue de 1-0 en la que tuvo 17 ponches y una base por bolas.

El WHIP de Martínez en el año 2000 fue de 0.74, rompiendo dos récords; el de 87 años establecido por Walter Johnson, así como la marca de 0.77 de Guy Hecker en 1882. Martínez se convirtió en el único lanzador abridor en la historia en tiener tantos ponches en una temporada (284) como hits permitidos (128).

En el transcurso de 1999 y 2000, Martínez permitió 288 hits y 69 bases por bolas en 430 innings, con 597 ponches, un WHIP de 0.83, y una efectividad de 1.90.

Aunque continuó su dominio cuando estaba sano, al llegar a un sub-2.00 de efectividad en medio de la siguiente temporada, Martínez pasó gran parte de 2001, relativa en la lista de lesionados con una lesión en el manguito rotador y los Medias Rojas cayeron en un pobre final. Martínez terminó con marca de 7-3, una efectividad de 2.39, y ponchó a 163, pero sólo lanzó 116 entradas.

Saludable en el año 2002, se recuperó para liderar la liga con una efectividad de 2.26, WHIP de 0.923 y 239 ponches, mientras terminaba con un récord de 20-4. Sin embargo, el premio Cy Young de la Liga Americana de esa temporada fue ganado por un estrecho margen por Barry Zito de los Atléticos de Oakland, a pesar de la mayor efectividad, el mayor porcentaje de WHIP, los pocos ponches y un menor porcentaje de victorias de Zito. Martínez se convirtió en el primer lanzador desde la creación del Premio Cy Young en liderar su liga en cada una de esas cuatro estadísticas y sin embargo, no ganar el premio.

El récord de Martínez en 2003 fue de 14-4. Lideró la liga en efectividad por quinta vez con 2.22, también lideró en WHIP por quinta vez con 1.04, y terminó segundo de la liga detrás del mexicano Esteban Loaiza por un solo ponche. Martínez quedó en tercer lugar para el premio Cy Young en 2003, el cual fue ganado por Roy Halladay.

Martínez se fue de 16-9 en 2004, a pesar de una inusual efectividad de 3.90, mientras los Medias Rojas ganaban el puesto del wild card de la Liga Americana.

New York Mets. Después del triunfo de Boston en la Serie Mundial de 2004, Martínez se convirtió en agente libre y firmó un contrato de 4 años y 53 millones de dólares con los Mets de Nueva York. En 2005, su primera temporada con los Mets, Martínez logró récord de 15-8 con una efectividad de 2.82, ponchó a 208, y un WHIP de 0.95, liderando la liga. Fue su sexto título de WHIP en la liga, y la quinta vez que lideró las grandes ligas en esa categoría. Los opositores batearon para .204 en su contra.

Martínez comenzó la temporada de 2006 en la parte superior de su juego. A finales de mayo, se fue de 5-1 con una efectividad de 2.50, con 88 ponches y 44 bases por bolas, 17 hits permitidos en 76 entradas; los registros de Martínez fueron los peores de lo que podría haber sido, lo que le costó dos victorias a los Mets.

El 3 de noviembre de 2006, Martínez dijo que si no podía volver con toda su fuerza, podría retirarse después de la temporada de 2007.

El 3 de septiembre de 2007, Martínez regresó de la lista de lesionados con su 207 victorias, permitiendo dos carreras limpias en cinco entradas y registrando sus 3000 ponches, convirtiéndose en el lanzador número 15 en hacerlo. El regreso de Martínez fue considerado un gran éxito, ya que el derecho se fue de 3-1 en cinco aperturas con una efectividad de 2.57. Pero su última salida fue una crucial derrota por 3-0 ante San Luis en la última semana del colapso histórico de los Mets en 2007.

Martínez se convirtió en el cuarto lanzador en llegar a 3,000 ponches con menos de 1,000 bases por bolas (en el caso de Martínez, 701). Ferguson Jenkins, Greg Maddux y Curt Schilling habían hecho lo mismo. Martínez también se unió a Nolan Ryan y Randy Johnson para convertirse en el tercer lanzador de 3,000 ponches en tener más ponches que entradas lanzadas, y es también el primer lanzador latinoamericano en tener 3,000 ponches.

Su inesperado buen final en 2007 aumentó las esperanzas, pero el 2008 fue una temporada terrible para Martínez. Tras dos meses en la lista de lesionados, Martínez terminó la temporada con una nota baja, perdiendo sus tres decisiones en septiembre con un récord de 5-6, el único récord perdido de su carrera con más de 10 decisiones.

Filis de Filadelfia. Siendo agente libre, Martínez no firmó con un equipo hasta julio de 2009.

Sustituyendo a Jamie Moyer, Filadelfia ganó sus primeras siete aperturas y fue hasta la Serie Mundial.