Мартин Петров има 90 мача и 20 вкарани гола за българския национален отбор.
Взима участие на ЕВРО 2004 в Португалия, където вкарва единствения гол за България, срещу Италия от дузпа. В квалификациите за Мондиал 2006 в Германия също взима участие като вкарва 4 гола. В мачовете за ЕВРО 2008 участва в три срещи, като и в трите се разписва.
Мартин Петьов Петров започва кариерата си във ФК Ботев (Враца). През 1997 г. той преминава в ЦСКА. 2 години по-късно е закупен от Сервет (Женева), с който става шампион на Швейцария през 1999 г. и носител на купата на страната през 2001 г.
През 2001 г. преминава в германския тим Волфсбург. През 2005 г. е избран за футболист номер едно на отбора за сезон 2004/2005 в анкета сред феновете на тима. Заедно с това е и голмайстор на Волфсбург за същия сезон с вкарани 12 точни попадения. От 2005 до 2007 година играе за Атлетико Мадрид.
Определен е за Футболист № 1 на България за 2006 година.
През лятото на 2007 г. е закупен в Манчестър Сити за сумата от 4,7 млн. паунда. През 2010 г. той преминава като свободен агент в състава на Болтън Уондърърс за 2+1 сезона.
В началото на 2013 г. Преминава в Еспаньол.
В края на октомври 2013 година се завръща за кратко в България, където доиграва сезона с екипа на ЦСКА (София).
