Martina Glagow se distingue chez les juniors en remportant trois titres de championne du monde en 1999. Elle intègre l'équipe allemande de Coupe du monde dès la saison suivante 1999-2000, où elle sort victorieuse à Antholz et Östersund. Aux Championnats du monde 2001 à Pokljuka, en Slovénie, elle confirme sa présence au plus haut niveau en terminant à la deuxième place du départ groupé, synonyme de médaille d'argent. En 2002, elle est sélectionnée pour ses premiers Jeux olympiques, prenant la septième place de la seule course qu'elle dispute, l'individuel. Aux Championnats du monde 2003 à Khanty-Mansiïsk, en Russie, elle devient championne du monde de poursuite, titre qu'elle partage à égalité avec la Française Sandrine Bailly, la photo-finish n'ayant, fait rarissime, pas permis de placer l'une devant l'autre. Il s'agit de son seul titre individuel de championne du monde au niveau sénior. À l'issue de la saison 2002/2003, où elle s'impose notamment sur l'étape prestigieuse d'Holmenkollen, elle est la première Allemande à remporter la Coupe du monde, gagnant également le classement de la poursuite.