Sie wurde in ihrer Jugend von der Mutter von Maria-Johanna Braun trainiert, die 1928 Olympiasiegerin geworden war. 1934 gewann Mastenbroek bei den Europameisterschaften in Magdeburg drei Goldmedaillen und eine Silbermedaille. Bei den Olympischen Sommerspielen 1936 in Berlin – damals war sie erst 17 Jahre alt – wiederholte sie diese Leistung. Sie siegte über 100 m Freistil, 400 m Freistil und mit der 4×100 m Freistilstaffel. Über 100 m Rücken gewann sie hinter ihrer Landsfrau Nida Senff die Silbermedaille (Senff hatte die letzte Wende nicht vorschriftsgemäß passiert und musste einige Meter zurückschwimmen; dennoch gewann sie dank einer außergewöhnlich guten Leistung auf der letzten Bahn).