Siden EM i friidrett 1998 i Budapest har Marta Domínguez tilhørt europatoppen innen langdistanseløp. Under VM 2001 i Edmonton tok hun sølv på 5000 meter, etter russiske Olga Jegorova, og to år senere tok hun sølv bak etiopiske Tirunesh Dibaba. Hennes hittil største suksess er seieren på 3000 meter hinder under VM 2009 i Berlin.