Natalie Martínez comenzó a modelar a la edad de 15 años, mucho antes de que considerara dedicarse a la actuación. Su carrera floreció gracias a una simple sugerencia de su madre: durante su último año de preparatoria en 2002, la madre de Martínez vio un anuncio de la nueva línea de ropa de Jennifer López. y, después de vencer a más de 5,000 chicas por la oportunidad de participar, Natalie empacó sus cosas y se mudó a Los Ángeles. Apareció en la película La carrera de la muerte (2008) y en varios videos musicales entre 2003 y 2011. Martínez también tuvo un papel recurrente para una temporada de CSI: NY (2012) y, en 2015, protagonizó una temporada de la serie dramática Kingdom. En 2019 apareció en la miniserie de ciencia ficción The I-Land. Recientemente participó en la producción de Reminiscencia (2021), una película de ciencia ficción de Warner Brothers escrita y dirigida por Lisa Joy y protagonizada por Hugh Jackman.