2021年6月16日,マルテンスが2020年オリンピックでオランダの18人のファーストチーム選手の1人として選ばれ,オランダの女子初のオリンピックトーナメントとなった. グループステージの最初の試合で,マルテンスがザンビアに対して50番目の代表ゴールを記録した. マルテンスはその試合で別の得点を記録し,最終結果はザンビア3対オランダ10で,オリンピック史上最高得点の女子サッカー試合となった. オランダのグループステージの3番目で最後の試合で,マルテンスが中国に対してさらに2ゴールを記録し,オランダはトーナメントの四半期決勝に進んだ. 彼らは2019年女子ワールドカップ決勝戦に出場した.
マルテンスが81分にペナルティを逃し,オランダは延長戦後のペナルティシューティングで敗れた.