Martina Toniolo nasce nelle giovanili del Gaglianico, per poi passare nelle giovanili del Torino e, successivamente, essere rilevata dalla Juventus, con cui vince il Trofeo di Viareggio femminile nel 2020, [1]segnando il gol decisivo nella finale contro la Roma. In prima squadra non ha alcuna presenza, venendo annualmente girata in prestito a un'altra diversa squadra.
Nel 2020-2021 esordisce in Serie A con la maglia dell'Empoli, realizzando un totale di 13 presenze.
L'anno successivo passa al Napoli, sempre in Serie A, disputandovi nuovamente 13 presenze e realizzando la prima rete in carriera, nel pareggio definitivo in Milan-Napoli 1-1 del 6 marzo 2022.
Il 17 agosto 2022, viene ceduta in prestito per una stagione alla Lazio, in Serie B.[2] Con il club laziale, colleziona in tutto 26 partite e tre reti in campionato.
Il 25 luglio 2023, viene ceduta in prestito con diritto di riscatto alla Fiorentina, di nuovo in massima serie.[3] Dopo aver collezionato 22 presenze in campionato, il 17 luglio 2024 viene ufficialmente riscattata dal club viola,[4][5] con cui firma un contratto triennale.[5]
