Den 16. juni 2021 blev Martens udnævnt som en af Nederlandenes 18 førsteholdsspillere til OL 2020, den første OL-turnering for hollandske kvinder nogensinde. I den første kamp i gruppefasen scorede Martens sit 50. landsholdsmål mod Zambia. Martens scorede en anden i den kamp, hvor det endelige resultat var Zambia 3 <unk> 10 Holland, den højest scorende kvinders fodboldkamp i OL-historien. I Holland's tredje og sidste gruppefase-kamp scorede Martens yderligere to mål mod Kina, da hollænderne gik videre til turneringens kvartfinaler. De mødte deres 2019 Women's World Cup Final
Det er en af de største rivaler til USA, hvor Martens undlod at score en straf i 81. minut, og hollænderne blev besejret efter en straffesparkskonkurrence efter en periode med forlængelse.