Chtěla se stát učitelkou a proto studovala střední pedagogickou školu. Poté studovala herectví na brněnském JAMU. Již během studia hostovala v Mahenově činohře Národního divadla (1996-2000), kde se nejprve objevila jako Jenůfa ve stejnojmenné hře a dále jako Číča ve Feydauově Dámě nebo jako Milionářka v Bernhardově hře Immanuel Kant.

V roce 2000 získala stálé angažmá v pražském Národním divadle, kde si zahrála např. ve hrách Hadrián z Římsů (role Ruměny) nebo Komedie omylů (role Luciany). Roku 2002 hrála postavu jedné dcery krále Leara (Jan Tříska) v letních hrách na Pražském hradě.

Martina Válková se objevuje také na televizní obrazovce. Zahrála si dívku, do které se zamiluje Martin Tomsa v seriálu Detektiv Martin Tomsa, nebo jeptišku v Četnických humoreskách. Dříve natáčela v brněnské televizi pořad Bakaláři. Rovněž je činná v dabování filmů.

V roce 2004 si zahrála redaktorku Kateřinu v serialu TV Nova Redakce.

Manželem Martiny Válkové byl známý dirigent a sbormistr Roman Válek se kterým se rozvedla v roce 2005.