Op 16 juni 2021 werd Martens benoemd tot een van de 18 Nederlandse eerste-teamspelers op de Olympische Spelen van 2020, het eerste Olympische toernooi voor Nederlandse vrouwen ooit. In de eerste wedstrijd van de groepsfase scoorde Martens haar 50ste doelpunt voor het nationale team tegen Zambia. Martens scoorde nog een in die wedstrijd met het eindresultaat Zambia 3<unk>10 Nederland, de hoogste scorende vrouwenvoetbalwedstrijd in de Olympische Spelen geschiedenis. In de derde en laatste groepsfasewedstrijd van Nederland scoorde Martens nog twee doelpunten tegen China toen de Nederlanders naar de kwartfinale van het toernooi gingen. Ze stonden voor de finale van het WK 2019.
De Verenigde Staten, waar Martens een strafschop miste in de 81e minuut en de Nederlanders werden verslagen na een strafschopsgevecht na een periode van extra tijd.