16. junija 2021 je bila Martens imenovana za eno od 18 igralk Nizozemske v prvi ekipi na olimpijskih igrah 2020, prvi olimpijski turnir Nizozemske. V prvi tekmi v skupinski fazi je Martens proti Zambiji zadela svoj 50. cilj za reprezentanco. Martens je v tej tekmi zadal še en gol, končni rezultat pa je bil Zambija 3 proti Nizozemski, kar je največji rezultat ženske nogometne tekme v zgodovini olimpijskih iger. V tretji in zadnji tekmi Nizozemske v skupinski fazi je Martens zadal še dva gola proti Kitajski, medtem ko so Nizozemci napredovali v četrtfinale turnirja. Srečala sta se v finalu svetovnega pokala žensk 2019.
tekmeci ZDA, kjer je Martens v 81. minuti zgrešil kazen, Nizozemci pa so bili poraženi po streljanju na kazen po dodatnem času.