El 2 de febrer de 2017, es va anunciar que Martínez havia signat una extensió de cinc anys amb els St. Louis Cardinals per un valor de 51 milions de dòlars. El 2 d'abril de 2017, Martínez va llançar el seu primer partit de la nit d'obertura de la seva carrera, jugant contra el campió defensor de la World Series
Chicago Cubs al Busch Stadium. Va treure 10 i no va permetre passades i sis hits en les entrades. Va rebre una no-decisió quan Randal Grichuk va colpejar un sol walk-off amb bases carregades a la part inferior de la novena. A l'estadi dels Yankees el 15 d'abril, Martínez va treure 11 batejadors i va caminar vuit, convertint-se en el primer a registrar ambdues marques en el mateix partit des de Randy Johnson el 1993. Martínez va completar les entrades en una derrota de 3-2 a Nova York. El 10 de juny, Martínez va llançar el seu primer partit complet i el seu primer shutout mentre permetia quatre hits quan els Cardinals van derrotar als Philadelphia Phillies 7 a 0.