Zur Bundestagswahl 2013 wurde Martina Renner auf Platz 3 der Landesliste der Partei Die Linke in Thüringen in den 18. Deutschen Bundestag gewählt. Im März 2014 wurde Renner von der Linksfraktion als Obfrau im NSA-Untersuchungsausschuss des deutschen Bundestages benannt. Bei der Bundestagswahl 2017 wurde sie als Spitzenkandidatin der Landesliste wiedergewählt. Sie ist Sprecherin der Linksfraktion für antifaschistische Politik, Obfrau ihrer Fraktion im 1. Untersuchungsausschuss der 19. Wahlperiode des deutschen Bundestages zum Breitscheidplatz-Anschlag und ordentliches Mitglied des Innenausschusses. Zudem gehört sie als stellvertretendes Mitglied dem Ausschuss für Recht und Verbraucherschutz an.