Obaj bokserzy w pierwszej rundzie leżeli na deskach.
17 kwietnia 2010 Martinez zmienił kategorię wagową na wyższą i stoczył pojedynek o mistrzowskie pasy WBC oraz WBO z Kellym Pavlikiem, którego pokonał jednogłośnie na punkty.
20 listopada 2010 ponownie przeciwnikiem Martineza był Paul Williams, a stawką pojedynku był pas mistrza świata WBC wagi średniej, Martinez wygrał pojedynek przez KO w drugiej rundzie.
18 stycznia 2011 federacja WBC poinformowała o odebraniu pasa mistrza świata wagi średniej Martinezowi za odmowę walki z tymczasowym mistrzem Sebastianem Zbikiem, który automatycznie został pełnoprawnym mistrzem.
12 marca 2011 Sergio zmierzył się z niepokonanym na zawodowych ringach mistrzem WBO kategorii junior średniej Serhijem Dzyndzyruk jednak pas WBO należący do ukraińskiego pięściarza nie był stawką tego pojedynku, stawką był diamentowy pas WBC. Martinez wygrał przez TKO w ósmej rundzie zdobywając diamentowy pas federacji WBC, gdy sędzia przerwał pojedynek po trzecim nokdaunie Serhija, Dzyndzyruk był liczony również raz w czwartej i piątej rundzie. W kolejnym pojedynku 1 października 2011 obronił swój pas nokautując w jedenastej rundzie niepokonanego wcześniej Darrena Barkera.