Monchi fijó sus ojos en el entrenador procedente de Vigo, y lo llamó para ofrecerle su incorporación al club sevillista. Sus comienzos en el Sevilla FC no fueron como entrenador, en su llegada, Diego Martínez trabajó en el área de metodología del equipo de Nervión, para años más tarde acabar en el banquillo dirigiendo al División de Honor y al Sevilla C. Comenzó a trabajar con el primer equipo cuando éste estaba dirigido por Marcelino García Toral en la temporada 2011/2012. El club estaba satisfecho con el trabajo realizado por Diego Martínez y no dudó en proponerle su continuidad en el club rojiblanco con la llegada del nuevo entrenador, Míchel. También ha acompañado en su andadura con el club hispalense al entrenador del Sevilla FC hasta la pasada temporada, Unai Emery.
En el primer equipo, desempeñó el trabajo de auxiliar técnico, como sustituto del ex jugador sevillista, Javi Navarro. Entre su palmarés en este club, podemos destacar la Copa de Campeones conseguida en el año 2012, cuando entrenaba al División de Honor. La gran oportunidad para Diego Martínez llegó en el año 2014, cuando con la marcha de Ramón Tejada, la entidad sevillista decide dar la oportunidad al entrenador viguense de hacerse cargo del filial sevillista.
En sus dos primeros años como entrenador del Sevilla Atlético, el filial de Nervión, ha jugado en Segunda División B. En la temporada 2014/2015, el equipo consiguió mantenerse consiguiendo el objetivo de no descender y finalizó la temporada en decimocuarta posición con un total de 44 puntos. En la campaña anterior, el filial fue uno de los equipos revelación del grupo IV de Segunda División B. Los pupilos de Diego Martínez lograron meterse en los play off y finalmente cumplieron el sueño de subir a Segunda División, convirtiéndose así en el único filial español que milita en la división de plata. Y el estreno en Segunda división de Diego Martínez y sus chicos en Segunda no ha podido ser mejor, se encuentran asentados en la cuarta posición, dado a sus tres últimas victorias consecutivas.