Oriunda de Miami, y nacida en el seno de una familia cubana de segunda generación. Natalie Martínez se graduó en 2002 en el St. Brendan High School, una escuela católica de Miami. Comenzó a flirtear con el mundo de la moda a una edad muy temprana, y después de dejarse ver en varios videoclips musicales de artistas como Pitbull o Marc Anthony, dio el salto a la pequeña pantalla en 2006 con un papel sustancioso en la serie Fashion House, que fue, en la práctica, su escuela de interpretación. Dos años después debuta en la pantalla grande con Death Race, pero seguirá siendo en la caja tonta donde conquiste sus mejores éxitos, gracias a series como Detroit 187 o CSI: Nueva York. Desde 2012 su carrera en el cine comienza a coger cuerpo gracias a Sin tregua y La trama (Broken City).