Martens werd door bondscoach Roger Reijners opgenomen in de selectie voor het wereldkampioenschap voetbal in 2015. In de eerste wedstrijd, een 0–1 overwinning tegen Nieuw-Zeeland op 6 juni 2015, maakte Martens het enige doelpunt door de bal van buiten het strafschopgebied langs de keepster te krullen. Tevens was dit het eerste doelpunt van het Nederlands dameselftal op een wereldkampioenschap. Twee jaar later behoorde Martens eveneens tot de Nederlandse selectie voor het Europees kampioenschap voetbal 2017 in eigen land. In de derde groepswedstrijd tegen België maakte zij het beslissende doelpunt (1–2), waardoor Nederland zich plaatste voor de kwartfinale. In de kwartfinale tegen Zweden scoorde Martens de 1–0 uit een vrije trap en ook bij de 2–0 had Martens een belangrijk aandeel. Nederland werd Europees kampioen door in de finale Denemarken te verslaan (4–2). Martens maakte zelf de 2–1. Na de wedstrijd werd ze, met 3 doelpunten en 1 assist in 6 wedstrijden, uitgeroepen tot beste speelster van het toernooi.