Martina Serafin naît en 1970 à Vienne dans une famille de musiciens : ses parents sont des vedettes d'opérette viennoise. Elle étudie au Conservatoire de Vienne et fait ses débuts opératiques en 1994 sur la scène flottante du Festival de Mörbisch dans Sang viennois (Strauss fils), où elle revient les étés suivants dans Der Bettelstudent (Carl Millöcker) et La vie parisienne (Offenbach) dans le rôle de Metella. Après avoir rejoint la troupe de l'Opéra de Graz, elle y fait ses débuts de soliste en 1997, incarnant Lisa dans Le Pays du sourire (Lehár), Mimi dans La Bohème (Puccini), ainsi que Fiordiligi dans Cosi fan tutte. Elle prend en 1998 le rôle-titre de La Veuve joyeuse (Lehár). L'année suivante, elle continue les prises de rôles à Graz dans Le Baron tzigane de Strauss fils (Saffi) et Don Giovanni (Donna Elvira). 

Après La Walkyrie de Wagner (Sieglinde) et Les Noces de Figaro (Comtesse Almaviva) à Graz en 2000, elle fait ses débuts au Théâtre Aalto d'Essen dans Lohengrin (Elsa). La soprano débute au Théâtre Communal de Bologne en 2002 en Lisa dans La Dame de pique (Tchaïkovski) puis reprend son rôle dans Don Giovanni à l'Opéra de Cologne ainsi qu'à l'Opéra d’État de Hambourg. Dans La Fiancée vendue de Smetana, elle interprète Marienka à Bologne et à Zurich, avant de jouer pour la première fois à l'Opéra d'État de Dresde Fiordiligi dans Cosi fan tutte. En 2004, elle enfile le costume de La Maréchale du Chevalier à la rose (Strauss) pour la première fois sur la scène d'Amsterdam, puis prend le rôle de Marie dans Wozzeck (Berg) au Théâtre Aalto d'Essen. En 2005, elle revient sur ses terres natales et débute à l'Opéra d’État de Vienne dans Don Giovanni, avant de débuter à Nancy (dans Le Chevalier à la rose) ainsi qu'à Stuttgart dans La Walkyrie (Sieglinde). A Palerme, elle interprète le rôle-titre de Genoveva (Schumann) en 2006, puis retourne à Amsterdam l'année suivante dans Tannhäuser (Wagner) où elle chante Élisabeth. Elle débute en 2007 à Catane en Madeleine dans Andrea Chénier (Umberto Giordano) avant qu'elle ne fasse ses débuts américains à San Francisco dans Le Chevalier à la rose. 

Sa carrière s'envole en 2008, lorsqu'elle prend le rôle-titre de Tosca (Puccini) au Théâtre de l'Opéra de Rome, dans la mise en scène de Zeffirelli, chantant aux côtés de Marcelo Alvarez. Elle le reprend à l'occasion de ses débuts au Royal Opera House cette année-là, avant de fouler pour la première fois la scène du Nouveau théâtre national de Tokyo dans La Walkyrie (Sieglinde). En 2009, elle prend le rôle-titre de Turandot (Puccini) au Théâtre Petruzzelli de Bari. L'année suivante, elle fait ses débuts à La Fenice en Manon Lescaut (Puccini), puis au Liceu de Barcelone dans Le Chevalier à la rose. A Los Angeles, elle reprend son rôle dans Les Noces de Figaro avant de faire d'éclatants débuts à La Scala de Milan en 2011 dans Tosca, opus qui l'emmène par la suite aux Arènes de Vérone puis à l'Opéra national de Paris pour la première fois en 2012. En 2013, elle fait ses débuts au Met en Sieglinde dans La Walkyrie puis prend le rôle d’Élisabeth dans Don Carlo de Verdi à la Scala. L'édition 2014 des Chorégies d'Orange l'accueille pour la première fois dans le rôle d'Abigaïlle dans Nabucco (Verdi). Elle se blesse en 2015 sur la scène de l'Opéra d’État de Vienne dans Tosca aux côtés de Roberto Alagna, ce qui lui vaut huit semaines de plâtre. Elle revient en 2016 au Liceu en prenant le rôle de la terrible femme de Macbeth de Verdi, puis prend à l'Opéra de Paris le rôle de Kupava dans La Fille de Neige de Rimski-Korsakov en 2017, ainsi que le rôle-titre féminin dans Tristan et Isolde de Wagner en 2018. En 2019, elle retrouve Amsterdam et La Walkyrie, mais prend cette fois le rôle de Brünnhilde. 

En 2020/2021, Martina Serafin chantera la Maréchale dans Le Chevalier à la rose en janvier à Bologne puis à l'Opéra de Vienne en juin, où elle chantera avant cela Brünnhilde dans La Walkyrie en avril. Elle interprétera également Turandot à Steinbruch en juillet. Elle annonce d'ores-et-déjà une reprise de son rôle d'Isolde à l'Opéra de Vienne en mai 2022.