En 1839 participó en la defensa de esa plaza contra el bloqueo francés al Río de la Plata. Después se incorporó a las filas del general Juan Lavalle contra Rosas y participó en las campañas de Santa Fe, Córdoba y La Rioja. Se batió en Quebracho Herrado y Famaillá. Vencido, cruzó el Chaco en la columna guiada por el coronel José Manuel Salas hasta llegar hasta la provincia de Corrientes.

Se incorporó al ejército correntino dirigido por el general José María Paz y peleó en la batalla de Caaguazú, el 28 de noviembre de 1841. Hizo la campaña de Entre Ríos y, acompañando a Paz, terminó exiliado en el Uruguay, donde participó en la defensa de Montevideo contra el sitio dirigido por Manuel Oribe.

En 1844 volvió a Corrientes. Luchó contra los hombres de Justo José de Urquiza en 1846. Cuando Paz fracasó en su intento de derrocar al gobernador correntino, Gainza se exilió en el Paraguay. Luego fue a Brasil y un tiempo después volvió a Buenos Aires, luego de la batalla de Caseros.

Tomó partido por los porteños en la revolución del 11 de septiembre de 1852 y más tarde fue nombrado comandante militar y juez de paz de Baradero. En paralelo se dedicó a formar contingentes de soldados para los ejércitos porteños que pelearon contra los indígenas y contra la Confederación Argentina.

En 1861 formó un cuerpo de infantería con más de 1.200 soldados y se sumó al ejército porteño para pelear en Pavón. Fue ascendido a coronel, pero en los años siguientes no tuvo una actuación destacada. Ocupó cargos secundarios y, si bien marchó hacia el frente durante la Guerra del Paraguay, pronto estuvo de regreso en Buenos Aires.

En 1867 el presidente Bartolomé Mitre eligió como candidato a su ministro Rufino de Elizalde, pero el gobernador porteño Adolfo Alsina creyó que el hombre indicado era Domingo Faustino Sarmiento, que se desempeñaba como embajador en Estados Unidos.

Sarmiento ganó las elecciones con el apoyo de Alsina y de las provincias del interior. El 12 de octubre de 1868 asumió la presidencia y nombró a Martín de Gainza como ministro de Guerra y Marina. Durante su gestión se creó el Colegio Militar y la Escuela Naval. En 1871, durante la epidemia de fiebre amarilla que azotó a Buenos Aires, Gainza se quedó en la ciudad y colaboró con las tareas de asistencia y prevención.

En 1874 apoyó la candidatura del oficialista Nicolás Avellaneda y reprimió la revuelta encabezada por el expresidente Mitre. En 1877 fue elegido diputado nacional por la provincia de Buenos Aires y a la postre, presidente de la Cámara de Diputados.

En 1880, durante la revolución encabezada por Carlos Tejedor apoyó al gobernador bonaerense. Su decisión la pagó con la expulsión del Congreso. En gratitud el mandatario provincial lo nombró ministro de Guerra de la provincia, siendo Gainza el último argentino en ostentar una cartera de guerra provincial.

Vencida la sublevación de Tejedor, Gainza fue degradado del Ejército, encarcelado y sometido a juicio acusado de traición. Mientras estuvo en la cárcel escribió sus memorias. La causa no prosperó, por lo que fue absuelto y reincorporado a las fuerzas armadas en 1883, con grado de general de división.

Martín de Gainza murió en Buenos Aires el 31 de diciembre de 1888, a los 68 años de edad. Fue un hombre de armas y de letras, que vivió intensamente los conflictos de su época y que dejó su huella en la historia argentina.