Aunque fue miembro del Tribunal de Comercio de París entre 1886 a 1898, Martel dedicó la mayor parte de su tiempo y energías a su gran pasión. Entre 1883 y 1887 exploró a fondo las cavidades subterráneas de los Cévennes. A partir de 1889, Martel comenzó a descender junto a Gaupillat y Launay a numerosas simas desconocidas hasta la fecha; fue el primero en penetrar en la fabulosa sima de Paridac, ubicada en la región francesa de Lot, para lo cual tuvo que bajar por un pasillo vertical de 75 metros de profundidad y 32 metros de diámetro, por cuyo interior discurría un río subterráneo.
También visitó las regiones calcáreas de Francia, Irlanda, Austria, el Peloponeso, el Cáucaso, Estados Unidos de América, España e Inglaterra. De estos dos últimos países, Martel exploró el Gaping Gill (Inglaterra), con un pozo de 110 metros de profundidad por donde penetran las aguas del río Fell Beck, y la cueva del Drac, en la isla de Mallorca, donde descubrió su maravilloso lago.
Acreedor de una más que merecida fama, en 1894 obtuvo el premio Gay, otorgado por la Academia de las Ciencias de París. Nombrado, en 1895, director de la revista Nature, ese mismo año fundó la Sociedad Espeleológica de París, en la cual ocupó el cargo de secretario general. En 1899, Martel impartió un curso libre en la Sorbona (Universidad de París) sobre Geografía subterránea. Desde 1901, formó parte de la comisión creada por el Gobierno francés para realizar el mapa geológico de Francia, titánica tarea a la que Martel dio todo lo que tenía, una apabullante erudición en relieve subterráneo e ilusión sin límites.
De su ingente producción bibliográfica, repartida entre obras de carácter científico, artículos en las revistas más prestigiosas, ponencias, colaboraciones, etc, cabe destacar títulos como Los abismos (1894), obra premiada por la Academia de Ciencias; Irlanda y las cavernas inglesas (1897); La Espeleología o ciencia de las cavernas (1900); La Espeleología en el siglo XX (1905-1906); Evolución subterránea (1908); y, por último, Francia desconocida (1928-1930).
