Hija de una decoradora y de un empresario, nació en San Sebastián el 28 de octubre de 1978. Desde pequeña quiso ser actriz pero, a petición de sus padres, estudió dos años de dirección y uno de montaje. Para emprender estos proyectos se trasladó a Madrid y se matriculó en la Escuela de Cristina Rota. Para poder sobrevivir trabajó de camarera e intervino en algunos anuncios publicitarios.^[1]​

Nada más finalizar sus estudios, Joaquín Oristrell contó con ella para el filme Sin vergüenza con varios de los últimos actores de dicha escuela. Marta interpretó a Belén, una joven actriz que mantenía unas difíciles relaciones con su madre.^[2]​ En 2002, rodó La vida de nadie de Eduard Cortés donde encarnaba a Rosana, una niñera que se enamoraba del padre de un amigo de los hijos a los que cuidaba. Su actuación le valió una candidatura al Premio Goya a la mejor actriz revelación.^[3]​^[4]​ Ese mismo año trabajó bajo las órdenes de Manuel Gutiérrez Aragón en El caballero Don Quijote donde interpretó a Dulcinea del Toboso.^[5]​

Posteriormente, rodó Hay motivo —donde participó en el filme colectivo que criticaba la España del Partido Popular— y Frío sol de invierno, donde se puso en la piel de Mimo. La Unión de Actores la recompensó con una candidatura al premio de mejor actriz de reparto por ello.^[6]​ En 2004, estrenó Entre vivir y soñar —en la que compartió un personaje enamoradizo con Carmen Maura— y Para que no me olvides, en la que encarnó a Clara. Por su papel en esta última Marta recibió una candidatura al Premio Goya a la mejor interpretación femenina de reparto.^[7]​^[8]​

Entre el estreno de la película y la candidatura, rodó AzulOscuroCasiNegro y Remake, así como la serie de televisión Vientos de agua, protagonizada por Ernesto Alterio y su padre, Héctor Alterio.^[9]​^[10]​^[11]​ Al final del año obtuvo una candidatura al Goya en la categoría principal y a la medalla que concede el Círculo de Escritores Cinematográficos.

En teatro profesional debutó en 2007 con la obra Despertares y celebraciones, que dirigía su maestra Cristina Rota. También en 2007 estrenó Casual Day, una comedia sobre las relaciones de poder en una empresa; y Las 13 rosas, una película dirigida por Emilio Martínez-Lázaro que narra la historia real de 13 jóvenes asesinadas por Franco en 1939.^[12]​^[13]​ En 2008 estrenó el clásico de William Shakespeare Hamlet, junto a Juan Diego Botto, encarnando el papel de Ofelia.^[14]​ También estrenó la película chilena Desierto Sur de Shawn Garry.^[15]​

En 2009 estrenó la película 7 minutos de la directora Daniela Féjerman, una comedia coral en la que compartió reparto con Toni Acosta y Antonio Garrido entre otros.^[16]​ También estrenó Flores negras, un thriller de suspense policial dirigido por David Carreras.^[17]​ Además, participó en la película Celda 211 dirigida por Daniel Monzón y protagonizada por Luis Tosar.^[18]​ Su participación en esta película le llevó a ganar el Goya a la mejor actriz de reparto el 14 de febrero de 2010.^[19]​

En 2011 estrenó la película EVA, un drama de ciencia ficción dirigido por Kike Maíllo.^[20]​ También protagoniza Mientras Duermes, un thriller de suspense dirigido por Jaume Balagueró en el que participa junto a Luis Tosar y Alberto San Juan.^[21]​

Entre abril de 2011 y mayo de 2014 fue vicepresidenta primera de la Academia de las Artes y las Ciencias Cinematográficas de España, presidida por el productor y distribuidor Enrique González Macho.^[22]​

En 2012 participa en la superproducción Lo imposible de Juan Antonio Bayona.^[23]​En 2013 protagonizó, junto a Quim Guitiérrez y José Coronado, la película Los últimos días; una cinta apocalíptica ambientada en Barcelona y dirigida por David y Álex Pastor.^[24]​ Además, estrenó la película Presentimientos, que protagonizó junto a Eduardo Noriega.^[25]​ También hizo un breve aparición en la serie de época de televisión española Águila Roja donde interpretó a Eva, una enigmatica dama de la que se enamora el protagonista.^[26]​

El año siguiente vuelve a coincidir con Quim Gutiérrez y estrena Sexo fácil, películas tristes del director Alejo Flah.^[27]​ En 2015 estrena la película Hablar de Joaquín Oristrell.^[28]​ También graba El incidente, serie de Antena 3 que se estrenó en 2017.^[29]​^[30]​

En 2016 volvió a la televisión protagonizando la serie dramática de Televisión Española La sonata del silencio, junto a Eduardo Noriega y Daniel Grao. Se trata de una adaptación de la novela de Paloma Sánchez-Garnica.^[31]​ También ese año estrenó en el Festival de San Sebastián las películas El hombre de las mil caras y Kalebegiak.^[32]​^[33]​

Atresmedia y Fernando González Molina contaron con la actriz para protagonizar la superproducción española El guardián invisible (2017), de la cual fueron productora y director respectivamente. Se trata de la adaptación cinematográfica de la novela homónima de Dolores Redondo, que se convirtió en trilogía bajo el nombre de Trilogía del Baztán.^[34]​ La segunda parte de la película Legado en los huesos (2019) y la tercera Ofrenda a la tormenta (2020) también fueron protagonizadas por la actriz.^[35]​

En 2023 fue una de las protagonistas de la segunda temporada de la serie de SkyShowtime Los enviados, junto a Miguel Ángel Silvestre.^[36]​ Un año después, coprotagonizó junto a Elena Anaya, Belén Cuesta, Irene Escolar o Itziar Atienza la serie de misterio Las largas sombras para Disney+.^[37]​

• Despertares y celebraciones (2007), de Cristina Rota y Juan Diego Botto, dirección de Cristina Rota^[40]​
• Hamlet (2008), dirección de Juan Diego Botto^[41]​
• Antígona (2010), dirección de Mauricio García Lozano^[42]​
• Ilusiones (2018), de Ivan Viripaez, dirección de Miguel del Arco^[43]​
• Los nocturnos (2022), de Irma Correa, dirección de Magüi Mira^[44]​

Premios Goya

Premios Iris

Fotogramas de Plata

Unión de Actores

Premios Feroz

Medallas del Círculo de Escritores Cinematográficos^[45]​^[46]​^[47]​^[48]​

Festival Cinespaña de Toulouse

Premios Teatro de Rojas

Desde 2003 hasta 2012 mantuvo una relación sentimental con el actor gallego Luis Tosar.^[49]​

En 2012 empezó una relación con el actor Gonzalo de Santiago.^[50]​

En septiembre de 2016, durante el Festival de cine de San Sebastián, anunció que estaba embarazada de cuatro meses.^[51]​ A principios de 2017 dio a luz a una niña en San Sebastián.^[52]​

• Marta Etura en Internet Movie Database (en inglés).