Centrocampista nacido en la localidad de Paiporta, Carles Martínez se incorporó a la cantera del Valencia CF a los 14 años de edad, pasando por todas las categorías hasta llegar al Mestalla en 2006, debutando en Segunda División B con la mayoría de edad de la mano de Luis Sánchez Duque y completando un total de 7 partidos durante su primera temporada, en la que el equipo perdió la categoría. El jugador, que había debutado ya con el primer equipo en un partido amistoso contra el Alcoyano en junio de 2005, se afianzó en el Mestalla llegando a ser capitán y convirtiéndose en uno de los jugadores más importantes. Durante los dos últimos años en el filial, fue convocado en dos ocasiones para disputar la Europa League y una vez para un partido de la primera división española, con el primer equipo, aunque sin llegar a debutar en partido oficial.

En el verano de 2010, el Real Murcia se hizo con los servicios del futbolista valenciano, logrando el ascenso a Segunda División en una temporada en la que Carles participó en 20 partidos con el equipo pimentonero. La temporada siguiente la pasó en el Club Deportivo San Roque de Lepe, donde fue un fijo en las alineaciones de Luis García Tevenet, completando 39 titularidades y marcando un gol. El curso siguiente lo pasó en el Getafe, jugando para el equipo filial (35 partidos en Segunda B), hasta que en el verano de 2013 firma por el Piast Gliwice de la Liga polaca, donde permanece dos temporadas, regresando a España para jugar 21 partidos con el Atlético Baleares en la división de bronce, pero tras 21 partidos, en el mes de febrero, regresa a Polonia para finalizar la temporada en el Zaglebie Sosnowiec. En julio de 2016 cambia de bando, aunque no de categoría, para defender la camiseta del Guijuelo, completando 35 encuentros con el equipo salmantino. La campaña siguiente Carles emigra a Asia para jugar una temporada con el Southern District de Hong Kong. Finalizado su contrato, en el verano de 2018, vuelve al País Vasco para jugar con el Barakaldo CF.