Lieke Martens begon op haar vijfde met voetballen bij RKVV Montagnards in Bergen, waar ze in de F2 begon. Hier voetbalde ze de eerste jaren van haar jeugd. Toen Lieke Martens acht was mocht ze mee doen aan een regionaal KNVB-elftal. Hierna ging ze voetballen bij  Olympia '18 in Boxmeer. In de zomer van 2009 maakte ze op 16-jarige leeftijd de overstap naar SC Heerenveen om te gaan spelen in de Eredivisie. 

In 2010 deed Lieke Martens met Nederland onder 19 deel aan het Europees kampioenschap. Ze maakte vier doelpunten tijdens het eindtoernooi. Nederland werd in de halve finales uitgeschakeld .

In 2010 stapte ze over naar VVV-Venlo.

In 2011 stapte Lieke Martens over naar België. Ze ging voetballen bij Standard Fémina de Liège. In een half jaar tijd maakte Lieke Martens 17 doelpunten. 

In de zomer van 2011 speelde Lieke Martens mee in het Nederlands elftal. 

In 2012 stapte Lieke Matens over naar lFCR 2001 Duisburg.

Lieke Martens kwam in 2015 in de selectie voor het wereldkampioenschap. 

Twee jaar later behoorde Martens eveneens tot de Nederlandse selectie voor het Europees kampioenschap voetbal 2017 in eigen land. Nederland werd op 6 augustus 2017 Europees Kamioen.

In de zomer van 2018 is Lieke Martens bij FC Barcelona gaan voetballen