[2]​ Martínez se ha desempeñado como docente de oftalmología, neurología, fisiología y farmacología en la Universidad Estatal de Nueva York y en el Centro Médico Downstate, donde dirige el Laboratorio de Neurociencia Integrativa.

Anteriormente dirigió laboratorios en el Instituto Neurológico Barrow y en el University College de Londres.

[3]​ Es reconocida por sus estudios sobre ilusiones, movimientos oculares y percepción, trastornos neurológicos y desorientación de la atención en la magia escénica.

[4]​[5]​ Gran parte de la investigación de Martínez-Conde se centra en cómo nuestros cerebros crean ilusiones perceptivas y cognitivas en la vida diaria.

Ha estudiado la ilusión de las Serpientes Giratorias, la ilusión del Enigma de Isia Leviant.