Nacida en  España, se traslada a México en 1995, donde reside hasta 2016, cuando decide trasladar su residencia a Madrid.

En 2007, editorial Planeta México publicó su primera novela, Por si no te vuelvo a ver, que sorpresivamente se colocó a la cabeza de los libros más vendidos de aquel país.  Le siguieron El ladrón de cálices (Planeta, 2010), Las dos vidas de Floria publicada en Italia (Salani Editori), México (Planeta) y España (Piel de Zapa).  Con La última página (Planeta 2014) fue finalista del Premio Letras Nuevas de Novela 2013 en México. Carlota, titulada en España Locura Imperial, ocupó la lista de los más vendidos durante semanas y fue traducida a otros idiomas. Sus últimas novelas son La otra Isabel (2021) y La mesa herida (2023), también publicadas por Planeta.

Martínez-Belli ha compaginado su actividad literaria con la docencia. Impartió clases de Escritura Creativa en la Universidad del Claustro de Sor Juana de México y en el IES University, España. Ha participado como articulista en distintos medios impresos como la Revista SoHo, la plataforma digital de Univisión y el periódico Clarín de Argentina.  Ha sido invitada como profesora de Novela Histórica de la National Association or Writers in Education (NAWE) en la edición de noviembre 2019 en York, Gran Bretaña.

Desde 2016 se incorporó a la Escuela de Escritores.

En 2020 fue una de las diez finalistas seleccionadas para el Premio Planeta.