È una bellezza cubana che è stata spinta dalla madre a fare un provino per il testimonial della JLo clothing line di Jennifer Lopez, aggiudicandosi il contratto dopo aver battuto altre 5,000 partecipanti. Si è da poco trasferita a Los Angeles per coltivare le sue aspirazioni di attrice.
La Martinez ha debuttato come attrice in Fashion House della MyNetworkTV, dove interpretava il ruolo di Michelle Miller, la moglie di un uomo manipolatore e prepotente di nome Lance (Mike Begovich) che non vuole lasciarle inseguire il sogno di diventare disegnatrice di moda affinché resti invece a casa a fare la moglie. Natalie è anche apparsa nella serie TV Saints & Sinners dello stesso network.
Tre volte candidata all'Oscar, JOAN ALLEN (Hennessey) è una delle attrici più impegnate del mondo.
Recentemente ha vestito ancora una volta i panni di Pamela Landy in The Bourne Ultimatum, accanto a Matt Damon. Nel 2007, è apparsa in Bonneville, nel quale recita insieme a Jessica Lange e Kathy Bates. Prima era stata interprete di Yes, una storia d'amore dei nostri giorni tra persone appartenenti a culture diverse per la sceneggiatrice/regista Sally Potter. Nel 2005, la Allen ha recitato accanto a Kevin Costner in Litigi d'amore per il regista/sceneggiatore Mike Binder e in Off the Map, diretto da Campbell Scott. Nel 2004, è stata una degli interpreti di The Bourne Supremacy e nello stesso anno anche di The Notebook - le pagine della nostra vita. La Allen ha da poco finito di girare Hachiko: A Dog's Story, nel quale recita insieme a Richard Gere, di prossima uscita.
La Allen ha recitato in The Contender, per il quale è stata candidata al Golden Globe, al SAG Award, all'Independent Spirit Award e all'Oscar per la migliore attrice protagonista.
La Allen ha recitato in Pleasantville, accanto a William H. Macy e Jeff Daniels, ottenendo recensioni entusiastiche. Il suo ruolo accanto a John Travolta e a Nicolas Cage nel film di grande successo Face/Off- Due facce di un assassino le è valso molti plausi della critica e i premi Blockbuster e MTV Film. Il ruolo devastante interpretato in Tempesta di ghiaccio, accanto a Kevin Kline e Sigourney Weaver, le ha valso altri premi e critiche positive.
Nel 1996, la Allen ha recitato nel film di Oliver Stone Nixon, per il quale è stata candidata all'Oscar come migliore attrice non protagonista. Ha vinto poi moltissimi altri premi tra cui quello della Los Angeles Film Critics Association e della National Society of Film Critics.
La Allen ha ottenuto una seconda candidatura all'Oscar come attrice non protagonista nel 1997 per la sua performance in La seduzione del male di Arthur Miller.
La Allen è stata interprete di numerosi altri film tra i quali ricordiamo Posizioni compromettenti, Peggy Sue si è sposata, Manhunter, Tucker: un uomo e il suo sogno, Ethan Frome, Una strana coppia di svitati, In Country, Alla ricerca di Bobby Fischer, Una folle stagione d'amore, E' una pazzia e Quando the Sky Falls.
La Allen è anche una delle attrici teatrali di New York più conosciuta nel mondo e vincitrice di numerosissimi premi per il suo lavoro on e off-Broadway. Ha ricevuto il Tony Award come migliore attrice per la sua performance accanto a John Malkovich in Burn this, di Lanford Wilson, ed una candidatura nella stessa categoria per il suo ruolo in The Heidi Chronicles. Off-Broadway, ha recitato in The Marriage of Bette and Boo (ottenendo un premio Obie), ed ha ripreso il suo ruolo che le ha valso il premio Steppenwolf Theatre/Joseph Jefferson in And a Nightingale Sang, che le ha valso i premi Clarence Derwent, Drama Desk, Outer Critics Circle e Theatre World. Off-Broadway, ha recitato anche in Delores e in The Heidi Chronicles. Uno dei membri originali della rinomata Steppenwolf Theatre Company di Chicago, la Allen ha recitato nelle produzioni di Burn This, Terraly Possessions, Reckless, A Lesson from Aloes (vincendo il Joseph Jefferson Award), Balm in Gilead e Uomini e topi. La Allen apparirà prossimamente accanto a Jeremy Irons nel lavoro teatrale di Jack O'Brien, Impressionism, che debutterà nella primavera del 2009. Sarà la prima volta che torna a calcare le scene di Broadway in 19 anni.
La Allen è stata candidata al premio Emmy per Le nebbie di Avalon, dramma televisivo tratto dall'omonimo bestseller nel quale recita accanto ad Anjelica Huston e a Julianna Margulies. Vive New York City con sua figlia Sadie.