Natalie Martinez Küba asıllıdır. Modellik yapmaya 15 yaşında başladı. Westchester-Florida'daki Katolik St. Brendan lisesinden 2002'de mezun oldu. Henüz bu liseydeken Martinez için annesi Jennifer Lopez'in kendi markası olan JLO için modellik başvurusu yaptı. Bunun sonucunda Martinez 5.000 kişi içinde 1. asıl model olmayı başardı ve Los Angeles'a taşındı. Martinez 2006'da başlayan Amerikan dizisi "Moda Evi" dizisindeki "Michelle Miller" rolü ile tanındı. Daha sonra çeşitli filmlerde, dizilerde ve ünlü müzik kliplerinde yer aldı. 2010'dan 2011'e kadar polisiye türü "Detroit 1-8-7 dizisinde "Detektif Ariana Sanchez" rolünü oynadı. 2013-2014 yılları arasında "CSI:New York" dizisinde "Detektif Jamie Lovato" karakterini canlandırdı.