עם פרוץ מלחמת העולם השנייה, קראה מרתה לנשים הנורווגיות להתגייס להגנת המדינה. לאחר הפלישה הגרמנית לנורווגיה, ברחה מרתה עם ילדיה לשוודיה, אולם שם לא התקבלה בעין יפה, משום שהשוודים חשו שהיא מעמידה את נייטרליותם בסכנה, ומשום כך עברה מרתה לארצות הברית, שם התגוררה בתחילה בבית הלבן. בעלה אולף לעומת זאת, שהה במהלך המלחמה בבריטניה עם אביו הוקון השביעי, מלך נורווגיה, ופעל יחד עם הממשלה הגולה הנורווגית. במהלך המלחמה הידקה מרתה את קשריה עם פרנקלין רוזוולט, ופעלה רבות לשימור התמיכה הנורווגית בממשל האמריקני, וכן סייעה רבות לצלב האדום האמריקני. לאחר המלחמה חזרו בני המשפחה לנורווגיה, ומרתה פעלה בכל יכולתה למען היציבות והרווחה של העם הנורווגי.