W sierpniu 1956 podjął pracę w dyplomacji Stolicy Apostolskiej; prowadził wykłady w Papieskiej Akademii Duchownej w Rzymie oraz kierował sekcją hiszpańską Sekretariatu Stanu; w kwietniu 1960 został obdarzony tytułem nadzwyczajnego tajnego szambelana papieskiego. Towarzyszył papieżowi Pawłowi VI w pielgrzymce na XXXI Międzynarodowy Kongres Eucharystyczny w kolumbijskiej Bogocie w sierpniu 1968. W 1970 był radcą delegatury apostolskiej w Wielkiej Brytanii, w latach 1970–1975 zajmował stanowisko asesora w Sekretariacie Stanu oraz prowadził jednocześnie działalność duszpasterską w szpitalach Rzymu. W maju 1970 otrzymał tytuł prałata honorowego Jego Świątobliwości.
12 listopada 1975 Paweł VI mianował go arcybiskupem tytularnym Tagory i nuncjuszem w Kolumbii; sakry biskupiej udzielił mu 13 grudnia 1975 sekretarz stanu kardynał Jean Villot. Arcybiskup Martínez Somalo powrócił do Watykanu w 1979 i objął funkcję substytuta w Sekretariacie Stanu. W czerwcu 1988 został wyniesiony przez Jana Pawła II do godności kardynalskiej, otrzymując diakonię SS. Nome di Gesu.