Натали Мартинес родилась 12 июля 1984 года в городе Майами, штат Флорида, США. В 2002 году она окончила среднюю школу Сент-Брендан одновременно с обучением в частной католической школе в Уэстчестере, и начала работу фотомоделью. В апреле 2008 года она завоевала титул «Мисс Дружелюбие» в конкурсе красоты «Мисс Флорида».В 2006 году Натали снялась в сериале «Дом моды», в 2007 году — в сериале «Святые и грешники». Её дебютом в кино стала роль Кейс, напарницы автогонщика Эймса в фильме «Смертельная гонка». С 2010 по 2011 год снималась в телесериале «Детройт 1-8-7». В 2012 году сыграла в фильме «Патруль». С 2012 по 2013 год снималась в сериале «C.S.I.: Место преступления Нью-Йорк». В 2013 году снялась в фильме «Город порока». С 2013 по 2014 год снималась в сериале «Под куполом». В 2015 году снялась в фильме «Вне/себя», в сериалах «Королевство» и «Секреты и ложь».