En 2005, Martha regresó al cine con Borderland, relacionada con los asesinatos de Matamoros, y también actuó en la cinta mexicana Siete días, donde trabaja junto a Jaime Camil, interpretando a una chica que va en busca de un sueño: traer a U2 a la Ciudad de Monterrey. En 2007 aparece en el largometraje Fuera del cielo, en el que comparte créditos con Demián Bichir, además de dos películas protagonizadas por ella: la primera Niñas mal, dirigida por Fernando Sariñana, y en donde comparte créditos con Camila Sodi, Ximena Sariñana y María Aura, y la segunda Hasta el viento tiene miedo.

En 2008, se estrena su primer film realizado en Hollywood: Street Kings, que protagonizó junto a Keanu Reeves y Forest Whitaker. En 2010 se la vio en la cinta Smokin' Aces 2, donde interpreta a una asesina internacional.

En octubre de 2010, Martha regresa a México para debutar como guionista en la cinta Te presento a Laura, de la cual también es protagonista junto al actor Kuno Becker, y dirigida por Fez Noriega.

En febrero de 2011, aparece de nuevo en la pantalla grande en el filme de Sebastián Borensztein Sin memoria, y a finales de ese mismo año grabó en Guadalajara la cinta El mariachi gringo, la cual promocionó y se exhibió en los festivales de cine de Miami (MIFF) y Guadalajara (FICG) en marzo de 2012. En septiembre de 2011 actuó en el capítulo llamado "Stiff" dentro de la serie CSI: Miami, bajo el libreto de Dorren J. Blauschild y dirigida por Gina Lamar.

En junio de 2012, filmó en la ciudad de México y Quintana Roo la cinta Cásese quien pueda, que protagonizó junto a su hermana, la también actriz Miriam Higareda. En agosto del mismo año filmó en Los Ángeles, Calexico, Mexicali y Tijuana la cinta Go for Sisters, dirigida por John Sayles.