Natalie Martinez est née le 12 juillet 1984 à Miami, en Floride, aux États-Unis. En 2002, elle a obtenu son diplôme du lycée St. Brendan tout en étudiant dans une école catholique privée à Westchester, et a commencé à travailler comme mannequin. En avril 2008, elle a remporté le titre de « Miss Sympathie » au concours de beauté « Miss Floride ». En 2006, Natalie a joué dans la série « Fashion House », en 2007 dans la série « Saints and Sinners ». Son premier rôle au cinéma a été celui de Case, la partenaire du pilote de course Ames dans le film « Death Race ».

De 2010 à 2011, elle a joué dans la série télévisée « Detroit 1-8-7 ». En 2012, elle a joué dans le film « End of Watch ». De 2012 à 2013, elle a joué dans la série « C.S.I. : Les Experts Manhattan ». En 2013, elle a joué dans le film « Broken City ». De 2013 à 2014, elle a joué dans la série « Under the Dome ». En 2015, elle a joué dans le film « Self/less », dans les séries « Kingdom » et « Secrets and Lies ».