Géraldine Martineau intègre à l’âge de 17 ans la Classe Libre du Cours Florent, et deux ans plus tard le Conservatoire national supérieur de Paris. Pendant ses années au conservatoire, elle joue dans Musée haut, musée bas de Jean-Michel Ribes et dans Penthésilée de Kleist mis en scène par Jean Liermier à la Comédie-Française. Pauline Bureau la dirige dans Roberto Zucco de Bernard-Marie Koltès, dans Sirènes et Dormir cent ans – spectacle qui a reçu le Molière Jeune public 2017. Elle joue une trentaine de pièces très éclectiques sous la direction, entre autres, d’Yves Beaunesne (Le Canard sauvage d’Ibsen), Véronique Bellegarde (Terre océane de Daniel Danis et Isabelle et la Bête de Grégoire Solotareff), Valérie Dréville (La Troade de Garnier), Jean-Michel Rabeux (La Nuit des rois de Shakespeare). En 2015, elle interprète Petite Fille dans Le Poisson belge de Léonore Confino par Catherine Schaub, rôle pour lequel elle reçoit le Molière de la Révélation féminine 2016. Elle retrouve Catherine Schaub en 2019 avec Pompier(s) de Jean-Benoît Patricot.

Elle joue régulièrement au cinéma, sous la direction de Rudi Rosenberg (Aglaée – prix d’interprétation des Festivals d’Angers et de Clermont-Ferrand – et Le Nouveau), Michele Placido (Le Guetteur), James Huth (Hell Phone), Jean-Julien Chervier (La Fonte des neiges), Valérie Lemercier (Marie-Francine), Pierre Mazingarbe (Blanche, Le Roi des Belges et Boustifaille), Mathieu Sapin (Le Poulain), Hubert Charuel (Petit paysan), Sandrine Dumas (On ment toujours à ceux qu’on aime), Virginie Sauveur (Le Temps des égarés), Gilles Legrand (Les Bonnes Intentions) ou encore Nathanaël Guedj (Si tu vois ma mère).

En 2010, Géraldine Martineau fonde sa compagnie, Atypiques Utopies. Elle met en scène Mademoiselle Julie de Strindberg, La Mort de Tintagiles de Maeterlinck. En 2018, elle interprète seule en scène son premier texte, Aime-moi. La même année elle adapte La Petite Sirène, d’après le conte d’Andersen qu’elle met en scène au Studio-Théâtre de la Comédie-Française. Elle reçoit en 2020 le Molière du Jeune public pour cette création, ainsi que le prix Jean-Jacques Gautier de la SACD pour son travail de comédienne et de metteuse en scène.

Géraldine Martineau est engagée comme pensionnaire dans la troupe de la Comédie-Française le 19 octobre 2020, et y interprète son premier rôle Lucile dans Le Bourgeois gentilhomme de Molière. Géraldine Martineau participe à la création de la Web TV La Comédie continue ! mise en place lors du premier confinement de mars 2020 et à la programmation en ligne qui a suivi.