Martens terpilih dalam skuad final untuk Piala Dunia Wanita FIFA 2019 di Prancis, meskipun fakta bahwa jempol kaki besarnya terluka. Dia mencetak kedua gol Belanda dalam kemenangan 2-1 atas Jepang di babak 16 besar, yang kedua dari penalti kontroversial yang diberikan VAR. Saat merayakan kemenangan menit terakhirnya melawan Jepang, rekan setimnya Jill Roord menginjak kakinya dan memperburuk cedera jempol kakinya. Martens tidak berlatih sebelum pertandingan perempat final Belanda melawan Italia. Meskipun cedera semakin parah, ia memulai melawan Italia dan bermain selama 90 menit dalam pertandingan, yang berakhir Italia 0<unk>2 Belanda. Dalam pertandingan semifinal berikutnya Belanda melawan Swedia, ia memulai tetapi diganti karena rasa sakit yang dia rasakan di jari kakinya sejak awal pertandingan. Berkat gol di perpanjangan waktu dari Jackie Groenen, Belanda berhasil mencapai final Piala Dunia Wanita pertama mereka
melawan Amerika Serikat. Martens berlatih terpisah dari sisa skuad Belanda menjelang final, dan memulai final akan menjadi "keputusan hari permainan" karena manajer Sarina Wiegman tidak terlalu yakin tentang evolusi cedera Marten. Martens memulai Final Piala Dunia Wanita 2019 terlepas dari itu, tetapi mengalami tabrakan kepala-ke-kepala dengan bek Amerika Serikat Kelley O'Hara yang menyebabkan mereka berdua turun di lapangan selama beberapa menit. Martens terus bermain hingga babak kedua, tetapi setelah Belanda kebobolan dua gol dalam waktu sepuluh menit, dia digantikan oleh Jill Roord pada menit ke-70. Skor tetap pada waktu penuh, dan Belanda kalah 2 - 0.