Алессандра Мартинес родилась 19 сентября 1963 года в Риме. В возрасте пяти лет перебралась вместе с семьей в Париж. Обучалась в Парижской консерватории музыки и танца. Выступала в составе Нью-Йоркского балета Джорджа Баланчина, а также в итальянских балетных труппах.
Алессандра начала сниматься в кино в конце 80-х, и первая главная роль пришла к ней уже в 1991 году в телевизионном проекте «Фантагиро, или Пещера золотой розы» режиссера Ламберто Бава. Актриса сыграла отважную принцессу Фантагиро, пытающуюся спасти королевство своего отца. Фильм имел большую популярность у зрителей и была снята вторая часть «Фантагиро, или Пещера золотой розы 2», в которой главная героиня уже стала королевой. Но и на этом режиссер удивительной фэнтези мелодрамы не остановился и снял еще три части. Во всех них Мартинес сыграла главную роль.
В промежутке между съемками этого проекта Алессандра успела сыграть одну из главных ролей в комедии «Все об этом» Клода Лелуша. После съемок этого фильма у актрисы и Клода завязался роман и они поженились. Следом он снял ее вместе с знаменитым Жан-Полем Бельмондо в своей картине «Отверженные», которая получила премии «Сезар»и «Золотой глобус». Алессандра была музой для Клода Лелуша, и ее часто можно было увидеть в фильмах этого талантливого режиссера. Она снялась в таких его фильмах, как: «Мужчина и женщина: способ применения», «Случай или совпадение», «Одна за всех», «А теперь, дамы и господа...» с Патрисией Каас в главной роли и многих других.
В 2005 году Алессандра снялась в трех сезонном мини-сериале «Катерина и ее дочери». Затем последовала главная роль в телевизионном проекте «Королева и кардинал» Марка Ривьера, рассказывающий о всех тягостях любви королевских особ.
Известно, что Мартинес была четвертой по счету женой режиссера Клода Лелуша. Но и с ней он в итоге развелся. У них есть общий ребенок – дочь Стелла Лелуш.
Всего Мартинес сыграла около сорока ролей. Она не гонится за большим коммерческим кино и Голливудом, а снимается у европейских режиссеров, тщательно выбирая материал.
