Revelação do cinema argentino dos anos 2000, os primeiros trabalhos de Martel na direção foram os curtas-metragens de animação El 56 (1988) e Piso 24 (1989). Dirigiu novo curta, Besos rojos (1991), em que deixou de utilizar os recursos da animação. Seu primeiro curta em que dirigiu atores foi a ficção Rey muerto (1995). O longa-metragem de estreia, coprodução entre Argentina, Espanha e França, foi La ciénaga (O pântano, 2001), drama insólito que enfocou os conflitos de duas famílias aparentemente burguesas reunidas ao redor da piscina com água lodosa em uma finca decadente, em que os conflitos (geracionais e entre os casais) e a violência implícita vão ficando mais agudas em um sufocante verão. Seu segundo longa, em coprodução entre Argentina, França, Itália e Holanda, La niña santa (2004), foi um drama envolvendo uma jovem religiosa que era bolinada por um médico em um congresso científico que ocorria em um hotel em Salta, interior da Argentina. A jovem tomava esse ato como um sinal divino, entendendo que devia salvar essa alma – e isso se tornou sua missão.
Em 2015, a cineasta rodou o drama épico Zama, adaptação da novela histórica publicada em 1954 pelo escritor e jornalista argentino Antonio Di Benedetto. O filme é um coprodução internacional com participação brasileira e espanhola no elenco e na produção. A estreia estava prevista para 2016.