Natalie Martinez ha llamado la atención de los aficionados al cine por sus interpretaciones en películas como Sin tregua (End of Watch), de David Ayer, junto a Michael Peña y Jake Gyllenhaal; La trama (Broken City), de Allen Hughes, junto a Mark Wahlberg; y La carrera de la muerte (Death Race), de Paul W. S. Anderson, junto a Jason Statham.

En la televisión, se la ha podido ver como protagonista en el papel de la sheriff Linda Esquivel en la exitosa serie "La cúpula"; con un papel principal en "CSI: Nueva York"; y en papeles habi-tuales para series como "Detroit 1-8-7" y, más recientemente, "Secrets and Lies", junto a Ryan Phillippe y Juliette Lewis.

Martinez, nacida en Miami, es de ascendencia cubana.