Après des études de théâtre à l'université de Californie du Sud (USC), elle débute dans les petits rôles sur les plateaux télévisés en 2007. Cependant, c'est en 2010 qu'elle se fait remarquer avec son rôle récurrent dans la série télévisée "Les Vies de famille" (*The Young and the Restless*), diffusée sur le réseau américain CBS.
En 2013, elle obtient un rôle principal dans la série télévisée française "Le Secret de la chambre noire", une production de TF1. Cette même année, elle est nommée aux Daytime Emmy Awards pour son travail sur "Les Vies de famille".
En 2015, Deborah Martinez fait ses débuts au cinéma en jouant le rôle principal féminin dans le film d'horreur "La Maison du fantôme" (*The Ghost House*), réalisé par Alexandre Aja. L'année suivante, elle est à l'affiche de la série télévisée franco-belge "10 Rues", diffusée sur TF1 et Arte.
En 2017, elle joue le rôle principal féminin dans le film d'action "Le Protocole K" (*The Protocol K*), réalisé par Éric Lartigau. La même année, elle obtient un rôle régulier dans la série télévisée française "Mafiosa", diffusée sur TF1.
En 2018, elle est à l'affiche de la comédie romantique "Un Noël enchanté" (*A Charming Christmas*), réalisé par Michael Feifer, et du drame "La Famille Bélier", diffusé sur Netflix.
Deborah Martinez est également active sur scène, où elle a joué dans des pièces telles que "Romeo et Juliette" et "Antigone". Elle s'est notamment produite au Théâtre national de Strasbourg et à l'Opéra-Comique.
Depuis 2019, Deborah Martinez joue le rôle principal féminin dans la série télévisée française "Le Dernier Chant", diffusée sur France 3.