AS Monaco 30 czerwca 2013 oficjalnie ogłoszono transfer Martiala do AS Monaco za kwotę 5 mln euro. Sam zawodnik z nowym klubem podpisał trzyletni kontrakt. 24 listopada tego samego roku Martial rozegrał pierwszy mecz w barwach Monaco, zastępując Radamela Falcao w 63. minucie wygranego 1:0 spotkania z FC Nantes. Sześć dni później zdobył swojego pierwszego gola dla klubu podczas wygranego 2:0 meczu z Stade Rennais. W grudniu podczas spotkania z Valenciennes FC doznał kontuzji kostki, która na jakiś czas wyeliminowała go z gry. 27 stycznia 2014 Martial przedłużył swój kontrakt z Monaco do czerwca 2018.
W swoim drugim sezonie w Monaco Martial zdobył 9 bramek w 36 ligowych występach. Pierwszego gola w rozgrywkach zdobył 5 października 2014, wchodząc najpierw na boisko w miejsce Lucasa Ocamposa, a następnie w doliczonym czasie zapewniając swojej drużynie remis 1:1 podczas starcia z Paris Saint-Germain. 13 marca 2015 zdobył dwie bramki w wygranym 3:0 meczu z Bastią.
4 sierpnia 2015 Martial zdobył swojego pierwszego gola w europejskich rozgrywkach. Miało to miejsce podczas meczu 3. rundy eliminacji do Ligi Mistrzów, w którym Monaco wygrało 4:0 ze szwajcarskim BSC Young Boys.