Entre julio de 1999 y junio de 2000, fue director general de Industria, Energía y Minas, cargo que dejó para ocupar la Viceconsejería de Economía y Empleo de la Comunidad de Madrid hasta octubre de 2001.

Martínez Falero ha pertenecido al Consejo de Administración de diferentes sociedades, entre ellas el Instituto Madrileño de Desarrollo (IMADE), el Centro Tecnológico de Madrid, GEDESMA, Interbiz Servicios On-Line y Consorcio de Laboratorios; así como al Pleno de la Cámara de Comercio e Industria de Madrid.

También ha sido presidente del Comité de Dirección del Parque Científico-Tecnológico de Alcalá y del Parque Tecnológico de Leganés, y ha formado parte de las comisiones interdepartamentales de Ciencia y Tecnología y de Asuntos Europeos, ambas de la Comunidad de Madrid. Además, ha sido miembro del Comité Consultivo de la Comisión Nacional de Energía, de la Task-Force que desarrolla el Programa Galileo en la Unión Europea y del Consejo Rector del Instituto de Astrobiología.

En el ámbito académico y de investigación, Martínez Falero fue Profesor Titular de Universidad en el área Estadística e Investigación Operativa de 1986 a 1996; director del Departamento de Economía y Gestión Forestal de la Universidad Politécnica de Madrid entre 1994 y 1998; y Fellow del College Environmental Sciencie and Forestry (SUNNY) en 1990.

Fue Consultor del Programa de Naciones Unidas para FAO en 1991; Profesor Evaluador Externo de la Universidad de Gales de programas de economía (1997-98); y director del Instituto Madrileño de Investigación Agraria y Alimentaria entre marzo de 1998 y julio de 1999.