Den 2. februar 2017 blev det annonceret, at Martínez havde underskrevet en femårig forlængelse med St. Louis Cardinals til en værdi af 51 millioner dollars. Den 2. april 2017 kastede Martinez sin første Opening Night start i sin karriere, hvor han spillede mod den forsvarende World Series-mester
Chicago Cubs på Busch Stadium. Han slog 10 ud og tillod ingen walks og seks hits over innings. Han fik en no-beslutning, da Randal Grichuk ramte en walk-off base-ladet enkelt i bunden af den niende. På Yankee Stadium den 15. april slog Martínez 11 battere ud og gik otte, og blev den første til at registrere begge disse mærker i samme spil siden Randy Johnson i 1993. Martínez fuldførte innings i et 3-2 tab til New York. Den 10. juni kastede Martinez både sin første karriere fuld spil og shutout, mens han tillod fire hits, da Cardinals besejrede Philadelphia Phillies 7 <unk> 0.