Die Schauspielerin hat in zahlreichen Serien größere Rollen übernommen, aber eine ist ihr durch die Lappen gegangen. Eigentlich gehörte die Under the Dome-Darstellerin zur Urbesetzung der Serie „Chuck“, doch ihr Charakter wurde vor der Ausstrahlung komplett aus der Serie geschrieben.
Sie wird 1984 in eine kubanisch-amerikanische Familie geboren und wächst in Miami auf. Den Schritt auf den Laufsteg verdankt sie unter anderem Jennifer Lopez, die sie 2002 für ihre Modekollektion engagiert. Auf den Gig haben sich mehr als 5000 Mädchen beworben.
Ihr Kameradebüt gibt sie 2006 mit einer großen Rolle in der Telenovela „Fashion House“. Im Jahr darauf wechselt sie in die Telenovela „Saints & Sinners“. Der Sprung auf die Leinwand gelingt im Jahr 2008 mit einer größeren Rolle in dem Thriller „Death Race“ an der Seite von Jason Statham.
Richtig in der Serienwelt kommt Natalie Martinez mit einer Stammrolle in der Krimiserie „Detroit 1-8-7“ an. Nahtlos wechselt sie in eine wiederkehrende Rolle in der Serie CSI: New York.
2013 ist sie in einer Hauptrolle in der Stephen-King-Verfilmung Under the Dome zu sehen. Nach dem Ausstieg dort stößt sie zum Secrets & Lies (US)-Cast, in dem auch Ryan Phillipe und Juliette Lewis dabei sind. 2016 gehört sie zum Stammcast der Serie APB. Es folgt die Serie Bad Monkey