La Dra. Martínez-Conde se ha desempeñado como docente de oftalmología, neurología, fisiología y farmacología en la Universidad Estatal de Nueva York y en el Centro Médico Downstate, donde dirige el Laboratorio de Neurociencia Integrativa. Anteriormente dirigió laboratorios en el Instituto Neurológico Barrow y en el University College de Londres.​ Es reconocida por sus estudios sobre ilusiones, movimientos oculares y percepción, trastornos neurológicos y desorientación de la atención en la magia escénica.

Gran parte de la investigación de Martínez-Conde se centra en cómo nuestros cerebros crean ilusiones perceptivas y cognitivas en la vida diaria. Ha estudiado la ilusión de las Serpientes Giratorias, la ilusión del Enigma de Isia Leviant