Была дочерью покойного ближняго боярина и стольника Ивана Родионовича Стрешнева, внучкой Родиона Стрешнева, «дядьки» Петра I.
Помолвка Марфы и графа Остермана состоялась 18-го декабря 1720 года, в день рождения царевны Елизаветы Петровны, в дворцовых апартаментах государя Петра Алексеевича, в присутствии многих знатных персон. Помолвка эта была устроена самим Петром I, пожелавшим обеспечить тесную связь талантливого иноземца с русской аристократией.
Свадьбу сыграли в воскресенье 21-го января 1721 года. Помимо богатого придания Остерман получил от государя баронский титул. Марфа получила в приданое село Стрешнево в Данковском уезде Рязанской губернии. После смерти брата Василия Стрешнева в род Остерманов перешло наследство усадьба в начале Божедомского переулка в Москве (ныне Всероссийский музей декоративно-прикладного и народного искусства), попавшее в род Стрешневых еще через отца царицы Евдокии Лукьяновны.
Сохранилась переписка её с мужем, свидетельствующая о силе её привязанности.
Участвовала в большом маскараде 1723 г., будучи одета в «шкармуцком платье». В декабре 1725 года была пожалована в статс-дамы императрицы. Современники обвиняли её в скупости и неряшливости. Фон Манштейн пишет: «Он получил от нее большое приданое, однако она была одним из злобнейших существ на свете».
После переворота 1741 года, возведшего на престол Елизавету Петровну, её муж был приговорен к смертной казни, но на плахе помилован и сослан в Березов. Хотя императрица дала разрешение женам осуждённых по этому делу оставаться в своих имениях, все они последовали за мужьями в ссылку, как и сделала Марфа Ивановна, преданно ухажившаяся за больным, полурасслабленным подагриком, в которого он превратился. «В силу высочайшего повеления, чтобы утренняя заря не застала изгнанников в столице, Остерман и супруга его, в самые сумерки 18 января 1742 года, снаряжаемы были в дальний путь».
Имущество Остерманов было конфисковано. В изгнании в Берёзове супруги провели 6 лет, а когда её муж скончался в январе 1747 года, Высочайший указ об освобождении из Сибири графини Марфы Ивановны и находившихся при ней служителей последовал лишь 21-го июня 1749 года. За добровольною изгнанницею с указом о её освобождении был послан для сопровождения графини до Москвы курьер Артемий Каршанинов. 17-го января 1750 года она прибыла в Москву.
В 1771 г. по прошению её сына Фёдора, Московского главнокомандующего и генерал-поручика, архиепископ Московский Амвросий (Зертис-Каменский) из-за немощности и преклонного возраста вдовствующий графини Марфы Ивановны Остерман дозволил устройство в усадьбе Полтево домового храма «при покоях, во имя Рождества Пресвятыя Богородицы с подвижным антиминсом».
Проживала в Москве самой своей кончины, последовавшей 24-го февраля 1781 года, на 84 году от рождения. Похоронена в Троицкой церкви, построенной её сыном Фёдором, в селе Красном Сапожковского уезда Рязанской губернии.
Андрей Иванович
Фёдор
Анна
Иван