Carlos Martínez Díez debuto con la Real sociedad B en las temporadas del 2005-2007 donde jugo en el filial de Segunda División B de la Real Sociedad, disputando una gran parte de los partidos. Debutó con la Real Sociedad en la Primera división española en el 2011, Donde alcanzo a jugar en Champions League sin embargo pierde un puesto de titular. En el 2018 anunció su retiro jugando su ultimo partido con Real sociedad.
En el 2016 debutando para el equipo Real sociedad contra el equipo Granada C.F. Se lesionó el ligamento cruzado de la rodilla derecha imposibilitándolo de jugar durante un año.
