Martinez terkenal dengan peranannya dalam filem 2008 Death Race, dan wataknya sebagai Michelle Miller dalam Fashion House (2006), dibatalkan selepas tiga bulan.

Beliau diuji bakat untuk watak utama dalam siri Chuck, yang juga tampil didalam gambar promosi pada musim pertama, akan tetapi penerbit memutuskan untuk mematikan wataknya sebelum episod pilot ditayangkan.[3]

Martinez telah membintangi peranan dalam beberapa siri televisyen lain yang dibatalkan selepas satu musim, termasuk Detroit 1-8-7, APB dan The Crossing. Beliau berlakon dalam musim pertama Under the Dome, muncul dalam musim kedua supaya wataknya dapat dimatikan. Beliau membintangi satu musim Secrets and Lies, dan melakonkan peranan berulang Detektif Jamie Lovato selama satu musim dalam drama jenayah CSI: NY.

Pada September 2018, ia diumumkan bahawa Martinez akan muncul dalam peranan utama Chase dalam siri mini cereka sains Netflix The I-Land.[4] Siri mini itu dikeluarkan pada 12 September 2019.[5]

Kemunculan filem Martinez termasuk End of Watch (2012), Broken City (2013) dan Self/less (2015).[6]