Наталі Мартінес народилася 12 липня 1984 року в місті Маямі, штат Флорида, США. У 2002 році вона закінчила середню школу Сент-Брендан одночасно з навчанням у приватній католицькій школі в Вестчестері, і почала працювати фотомоделлю. У квітні 2008 року вона здобула титул «Міс Дружелюбність» у конкурсі краси «Міс Флорида». У 2006 році Наталі знялася в серіалі «Дім моди», у 2007 — у серіалі «Святі та грішники». Її дебютом у кіно стала роль Кейс, напарниці автогонщика Еймса у фільмі «Смертельні перегони».

З 2010 по 2011 рік знімалася в телесеріалі «Детройт 1-8-7». У 2012 році зіграла у фільмі «Патруль». З 2012 по 2013 рік знімалася в серіалі «C.S.I.: Місце злочину Нью-Йорк». У 2013 році знялася у фільмі «Місто пороку». З 2013 по 2014 рік знімалася в серіалі «Під куполом». У 2015 році знялася у фільмі «Поза/собою», у серіалах «Королівство» та «Секрети і брехня».