Die Angriffsspielerin debütierte 1977 in der Deutschen Hockeynationalmannschaft. Ihr erstes großes Turnier war die Halleneuropameisterschaft 1977, bei der die deutsche Mannschaft den Titel gewann. Im Jahr darauf unterlag das deutsche Team bei der Weltmeisterschaft 1978 im Finale den Niederlanden mit 1:0. 1981 gewann Martina Koch mit der deutschen Mannschaft zwei große Titel. Zuerst verteidigte das Team den Europameistertitel in der Halle, dann siegte die Mannschaft bei der Weltmeisterschaft in Buenos Aires nach Siebenmeterschießen gegen die Niederlande. Zwei Jahre später belegte sie bei der Weltmeisterschaft 1983 den vierten Platz. Im Mai 1984 wurde in Lille die erste Feldhockey-Europameisterschaft der Damen ausgetragen, nach einer Halbfinalniederlage gegen die Niederländerinnen siegten die deutschen Spielerinnen im Spiel um Bronze gegen die Britinnen. Zwei Monate später besiegten die Niederländerinnen die deutsche Mannschaft bei den Olympischen Spielen in Los Angeles mit 6:2, wobei Martina Koch beide deutschen Treffer erzielte. Die deutsche Mannschaft gewann Silber hinter den Niederländerinnen und vor den US-Amerikanerinnen.