Do serialu powrócił w sezonie 2008. Reprezentując hiszpańską stajnię Pons Racing, już w pierwszym wyścigu uzyskał najszybszy czas okrążenia. W ciągu siedemnastu wyścigów, tylko czterokrotnie znalazł się jednak na punktowanych lokatach. Najlepiej zaprezentował się podczas pierwszego wyścigu, w Portugalii, w którym dojechał na drugiej pozycji. Zdobyte punkty pozwoliły Marcosowi zająć w klasyfikacji 15. pozycję.
W 2009 roku Martinez (ponownie w Pons Racing) w znakomity sposób rozpoczął zmagania, zwyciężając w pierwszych trzech wyścigach. Po czwarty triumf sięgnął jeszcze w sobotniej rywalizacji w Wielkiej Brytanii. Poza tym jeszcze trzykrotnie sięgnął po punkty. Będąc zdecydowanym liderem po pierwszej połowie sezonu, w drugiej spisał się fatalnie, ani razu nie dojeżdżając na punktowanych pozycjach. Tak słaba postawa sprawiła, że Marcos w generalnej klasyfikacji spadł dopiero na 7. miejsce.
W Formule Renault 3.5 pojawił się jeszcze podczas dwóch wyścigów w sezonie 2011. Zmieniła ona rundę na Hungaroringu Rumuna Michaela Hercka w zespole Pons Racing. Gdy pierwszy wyścig nie ukończył, w drugim był sklasyfikowany na 13 pozycji. Sezon ukończył na 31 miejscu w klasyfikacji generalnej.