Natalie Martinez nació el 12 de julio de 1984 en la ciudad de Miami, estado de Florida, EE. UU. En 2002 se graduó de la escuela secundaria St. Brendan mientras estudiaba en una escuela católica privada en Westchester, y comenzó a trabajar como modelo fotográfica. En abril de 2008 ganó el título de «Miss Simpatía» en el concurso de belleza «Miss Florida». En 2006 Natalie apareció en la serie «Casa de moda», en 2007 — en la serie «Santos y pecadores». Su debut en el cine fue el papel de Case, compañera del piloto de carreras Ames en la película «Carrera mortal».

De 2010 a 2011 actuó en la serie de televisión «Detroit 1-8-7». En 2012 actuó en la película «Patrulla». De 2012 a 2013 actuó en la serie «C.S.I.: Escena del crimen Nueva York». En 2013 actuó en la película «Ciudad de vicio». De 2013 a 2014 actuó en la serie «Bajo la cúpula». En 2015 actuó en la película «Fuera de mí», en las series «Reino» y «Secretos y mentiras».