W 1823 roku von Martius poślubił Franziskę von Stengel (1801–1843), córkę urzędnika bawarskiego ministerium Georga von Stengla (1775–1824), z którą miał syna Carla Alexandra (1838–1920) – późniejszego chemika oraz córki Caroline i Marie.
240px|right|thumb|Ilustracja z Historia naturalis palmarum: I. i II. Attalea funifera, III. Cocos coronata=Syagrus coronata, IV. Cocos fehizophylla (?), V. Sabal umbraculifera = Sabal bermudana lub Sabal blackburnea lub Sabal palmetto W 1826 roku von Martius otrzymał profesurę botaniki na uniwersytecie w Monachium. W 1834 roku, po przejściu Schranka na emeryturę, objął stanowisko pierwszego dyrektora ogrodu botanicznego. W 1840 roku został sekretarzem sekcji matematyczno-fizycznej Bawarskiej Akademii Nauk. W tym samym roku królowa Portugalii Maria II (1819–1853) przyznała mu Order Niepokalanego Poczęcia Najświętszej Marii Panny z Vila Viçosa.
Raport z podróży von Martius i von Spix przedstawili w dziele Reise in Brasilien (1823–1831). Pierwszy tym napisali razem, lecz z powodu nagłej śmierci von Spixa w 1826 roku, drugi tom ukończył von Martius, a trzeci napisał samodzielnie. Znaczenie tej pracy dla badań Bazylii porównywano do znaczenia pracy Reise in die Äquinoktialgegenden Alexandra von Humboldta (1769–1859) dla badań innych obszarów Ameryki Południowej.