Natalie Martinez ha attirato l’attenzione degli spettatori per la sua interpretazione nel film "End of Watch - Tolleranza zero" di David Ayer, dove ha recitato al fianco di Michael Peña e Jake Gyllenhaal; ha anche recitato nel film "Broken City" di Allen Hughes al fianco di Mark Wahlberg; e nel film "Death Race" di Paul W.S. Anderson, insieme a Jason Statham. Natalie Martinez è diventata un volto familiare per gli spettatori televisivi in seguito alla sua interpretazione dello sceriffo Linda Esquivel nella serie "Under the Dome" così come per le sue ricorrenti apparizioni nella serie "CSI: NY". È stata inoltre molto apprezzata la sua regolare partecipazione alla serie "Detroit 1-8-7" e alla serie tv di ABC "Secrets and Lies", dove ha lavorato con Ryan Phillippe e Juliette Lewis. La Martinez viene da Miami e ha origini cubane.