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. À sa sortie, elle rencontre Pauline Bureau qui la distribue dans Roberto Zucco de Koltès (Théâtre de la Tempête) puis dans Sirènes (Théâtre du Rond-Point) et Dormir cent ans (Théâtre Paris -Villette) – 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 aux Gémeaux, scène nationale de Sceaux), Véronique Bellegarde (Terre océane de Daniel Danis au Théâtre de la Ville à Paris et_Isabelle et la Bête_ de Grégoire Solotareff au Théâtre national de Bretagne), Valérie Dréville (La Troade de Garnier au Théâtre de l’Aquarium), Jean-Michel Rabeux (La Nuit des rois de Shakespeare à la MC93), Gérard Watkins (Je ne me souviens plus très bien au Théâtre du Rond-Point).
En 2015, elle interprète Petit Fille dans Le Poisson belge de Léonore Confino mis en scène par Catherine Schaub en duo avec Marc Lavoine, spectacle pour lequel elle reçoit le Molière de la Révélation féminine 2016. Elle retrouve Catherine Schaub en 2019 avec Pompier(s) de Jean-Benoît Patricot au Théâtre du Rond-Point.

Elle joue régulièrement au cinéma, sous la direction de Rudi Rosenberg (Aglaée – rôle pour lequel elle a reçu les 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).

Géraldine Martineau, en parallèle de son activité de comédienne, fonde sa compagnie, Atypiques Utopies, en 2010. Elle met en scène Mademoiselle Julie de Strindberg au Théâtre de la Loge avec Maud Wyler, Sylvain Dieuaide et Agathe L’huillier. Elle monte ensuite, en 2017, La Mort de Tintagiles de Maeterlinck au Théâtre de la Tempête avec Évelyne Istria, Ophélia Kolb, Sylvain Dieuaide et Agathe L’huillier. En 2018, elle interprète seule en scène, à la Nouvelle Seine, son premier texte, Aime-moi. La même année elle adapte_La Petite Sirène,_ d’après le conte d’Andersen qu’elle met en scène à la Comédie-Française avec Adeline d’Hermy, Danièle Lebrun, Claire de la Rüe du Can, Julien Frison, Jérôme Pouly. 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.

Cette saison 20/21 elle interprétera son premier rôle dans_Hansel et Gretel_ d’après les frères Grimm au Studio-Théâtre et mettra en scène La Dame de la mer d’Ibsen au Théâtre du Vieux-Colombier en février 2021.