В сезоне 2003/04 Мартинш провел 14 матчей за основу "Спортинга", и в последующие 3 года считался незаменимым. Дальнейшую карьеру в составе зелено-белых поставил под вопрос конфликт с главным тренером Паулу Бенту, причиной которого стала недисциплинированность футболиста. В 2007-м Мартинш отбыл в Испанию, где поиграл за "Рекреативо", а спустя год вернулся на португальскую землю, где подписал контракт с "Бенфикой" - "орлы" заплатили за полузащитника 3 миллиона евро.

Место в основе не подлежало сомнению, но в целом неплохой сезон Мартиншу испортили травмы, так часто беспокоившие его и в юности. Тем не менее, в сезоне 2009/10 футболист провел 17 матчей в красной футболке и помог команде завоевать чемпионство. В нынешнем сезоне Мартинш отметился победным ударом в матче с "Брагой", забив красивейший мяч в дальний верхний угол.

Также Карлуш Мартинш неоднократно выступал за молодежную сборную Португалии. В главной команде страны полузащитник "Бенфики" дебютировал в 2006 году. В 2010-м Мартинш вышел в стартовом составе в матче Португалия - Дания и полезно отыграл этот поединок, завершившийся победой хозяев со счетом 3:1. Примечательно, что это был первый матч того самого Паулу Бенту в качестве главного тренера национальной команды.