Originaire d'Úmbita, Juan Guillermo Martínez est formé dans le programme de l'équipe Boyacá Raza de Campeones. Chez les juniors, il se fait remarquer lors de la saison 2022 en terminant premier de la Clásica de Anapoima et deuxième de la Vuelta del Porvenir. Il participe également à plusieurs compétitions en Espagne. Pour ses débuts sur le territoire européen, il se classe huitième de la Bizkaiko Itzulia, après s'être imposé sur une étape. Il finit par ailleurs deuxième d'une étape du Circuito Cantabro Junior[1],[2].
Grâce à ses performances, il intègre la réserve de l'UCI ProTeamQ36.5 en 2023. Ses débuts espoirs sont cependant perturbés par des problèmes cardiaques, qui l'écartent des compétitions pendant plusieurs mois. Finalement rétabli, il se révèle durant l'édition 2024 du Tour de la Vallée d'Aoste en terminant deuxième d'une étape[3] et sixième du classement général, tout en remportant le titre de meilleur grimpeur. La même année, il s'impose sur l'épreuve Bassano-Monte Grappa[1],[2]. Il se classe également dix-septième du Tour des Apennins, face à plusieurs coureurs du World Tour.
En 2025, la Q36.5 Continental Team cesse ses activités. Juan Guillermo Martínez parvient néanmoins à passer professionnel au sein de la formation Picnic PostNL[1],[2]. Recruté pour les trois prochaines saisons, il devient le premier cycliste colombien à intégrer cette structure néerlandaise. Il effectue sa reprise au Tour du Rwanda, qu'il conclut à la huitième place.
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