Martinez dilahirkan di Miami, Florida dan berketurunan Cuba.[1] Beliau merupakan lulusan Sekolah Tinggi St. Brendan pada 2002.[2] Ibunya juga merupakan salah seorang dari 6 beradik yang semuanya perempuan. Beliau dilahirkan dalam keluarga besar.

Martinez mula menjadi model pada usia 15 tahun sebelum berkecimpung dalam bidang lakonan. Pada tahun terakhirnya di Sekolah Tinggi St. Brendan pada tahun 2002, ibunya melihat iklan untuk jenama pakaian baru J.Lo. Setelah mengalahkan lebih dari 5,000 gadis remaja lain untuk uji bakat, Natalie berpindah ke Los Angeles.