Hvor han særligt som U23-rytter vandt flere massespurter, har han haft sværere ved at markere sig som professionel. 1. januar 2010 skiftede Martin Pedersen til Footon-Servetto-Fuji, hvor han blev lovet en startplads i Tour de France 2010. Han blev dog i sidste ende meldt fra, hvorefter han fokus blev flyttet til Vuelta a España 2010, hvor han fik en startplads. Martin Pedersen kørte i 2011 sæson for Leopard Trek, men han blev til overs, da det luxembourgske hold fusionerede med Team RadioShack. Efterfølgende skiftede Martin Pedersen fra 2012-sæsonen til Christina Watches-Kuma. I starten af februar måned 2012 var Martin Pedersen ude at træne ved Lucca i Italien sammen med træningskammeraterne Nicki Sørensen og Brian Vandborg, da han blev ramt af en bil i en rundkørsel og blev alvorligt skadet. Martin Pedersen kom sig efterfølgende over skaden og sikrede i september 2012 det danske Continental-cykelhold, Christina Watches Onfone powered by DANA, deres største sejr til dato, da han samlet vandt Tour of China 1.