16. juunil 2021 nimetati Martens üheks Hollandi 18 esimese meeskonna mängijaks 2020. aasta olümpiamängudel, mis oli Hollandi naiste esimene olümpiamäng. Grupi etapi esimeses mängus tegi Martens Zambia vastu oma 50. väravat. Martens tegi selles mängus veel ühe värava, mille lõpptulemus oli Zambia 3 × 10 Madalmaad, mis on kõrgeim naistel olümpiamängude ajalugu. Hollandi kolmandas ja viimases rühmade mängus tegi Martens veel kaks väravat Hiina vastu, kui hollandi meeskond jõudis turniiri veerandfinaali. Nad kohtusid oma 2019. aasta naiste maailmameistrivõistluste finaalis
USA-le, kus Martens jäi 81. minutil karistusheitest ilma ja Hollandi võitis karistusvõitlus pärast pikendusaega.