Bei den Olympischen Spielen 2000 in Sydney und 2004 in Athen erreichte Mayte Martínez jeweils das Halbfinale im 800-Meter-Lauf. Bei den Weltmeisterschaften 2001 in Edmonton (Siebte) und 2005 in Helsinki (Fünfte) stand sie im Finale. 2002 in München wurde sie Vizeeuropameisterin in 1:58,86 Minuten hinter der Slowenin Jolanda Čeplak und vor der Britin Kelly Holmes.