Martha Arendsee wird in Berlin geboren. Sie absolviert nach der Schule zwei Ausbildungen und arbeitet anschließend als Kontoristin. Infolge einer Operation muss sie ab 1903 mit schweren körperlichen Beeinträchtigungen leben. Jahrelang ist sie als Heimarbeiterin tätig, bis sie 1910 eine Anstellung beim Konsumverein in Berlin findet.
1908 gehört Martha Arendsee zu den ersten Frauen, die Mitglied der SPD werden. Kurz nach Beginn des Ersten Weltkriegs ist sie Mitgründerin der „Niederbarnimer Opposition“, einer Gruppierung innerhalb der SPD, die eine Zustimmung der Partei zu Kriegskrediten ablehnt. 1917 wird sie Mitglied der USPD, 1920 wechselt sie zur KPD. Ab 1921 vertritt Martha Arendsee die KPD als Abgeordnete erst im Preußischen Landtag, dann ab 1924 bis 1930 im Reichstag. Gleichzeitig arbeitet sie als Redakteurin. Ihre wichtigsten Themen sind die Frauen- und Sozialpolitik.
Als entschiedene Gegnerin des neuen Regimes wird sie im April 1933 in „Schutzhaft“ genommen und für mehrere Monate eingesperrt. Nach ihrer Entlassung flieht sie 1934 mit ihrem Lebensgefährten Paul Schwenk in die Sowjetunion. 1937 wird Paul Schwenk als angeblicher Spion in der Sowjetunion für mehrere Jahre eingesperrt.
Martha Arendsee engagiert sich auch im Exil gegen den Nationalsozialismus. Sie ist das einzige weibliche Mitglied des 1943 gegründeten Nationalkomitees Freies Deutschland (NKFD). Ihre Aufgabe ist es, in deutschsprachigen Radiosendungen anti-nationalsozialistische Propaganda an deutsche Frauen zu richten.
Nach Kriegsende kehrt Martha Arendsee mit Paul Schwenk nach Deutschland zurück. Sie ist Mitgründerin der KPD, wird Mitglied im Vorstand der SED und arbeitet als Vorsitzende der Sozialversicherungsanstalt in Berlin.
Anlässlich ihres 90. Geburtstags gibt die DDR 1975 posthum eine Sonderbriefmarke für sie heraus.