♦ 2012: Início no The Voice
Em 2012, Martinez participou na terceira temporada do concurso de talentos estadunidense The Voice, da NBC, na esperança de desenvolver e melhorar suas habilidades musicais. A rede de televisão transmitiu o episódio de sua audição em 17 de setembro daquele ano. Martinez se apresentou nas audições às cegas cantando uma versão em jazz de "Toxic", uma canção de Britney Spears. Ao final de sua performance, três dos quatro treinadores - Adam Levine, Blake Shelton e Cee Lo Green - haviam virado suas cadeiras. Ela foi elogiada por sua versão "anormal" da canção. Comparando Melanie com Björk, Levine chamou a apresentação de "incrível" e, embora Shelton e Green tenham tentado leva-la para sua equipe, afirmando que ela agiu como uma "artista exclusiva que não soa como alguém mais", Melanie escolheu Levine para ser seu treinador. Antes de se juntar a equipe de Levine, a cantora disse que queria fazer parte de um time que a deixará se expressar criativamente e ser ela mesma. Sua versão de "Toxic" entrou nas cem melhores posições gerais e nas dez melhores posições das listas alternativas do iTunes Store.
Durante o episódio de 9 de outubro, Martinez teve sua primeira rodada de batalha contra Caitlin Michele, que também pertencia a equipe de Levine. As competidoras cantaram a canção "Lights", de autoria da cantora Ellie Goulding, de forma "perturbadora". Embora Melanie tivesse alguns problemas durante os ensaios, sua apresentação mostrou a força de sua voz, o que complicou a escolha de Levine, pois ele teve que pedir ajuda para escolher o outro juiz. Acabaram escolhendo Martinez como a vencedora, permitindo que a Michele pudesse escolher entre Shelton e Green, sendo a equipe deste último a escolhida.
Durante as batalhas, as quais foram transmitidas entre 29 e 30 de outubro de 2012, a concorrente é confrontada com Sam James, também da equipe de Levine. Para a competição, Martinez decidiu realizar uma versão simplificada de "Bulletproof" (2009) de La Roux, enquanto James fez uma versão de "Walking in Memphis" (1991), de Marc Cohn. A treinadora Christina Aguilera elogiou o desempenho de Melanie, dizendo que "quando você abre a boca e canta, realmente quase inquietante, convida você para este mundo especial que só você é capaz de criar". Finalmente, embora Shelton brincasse sobre o estilo da cantora e escolhesse James como vencedor, Levine escolheu Melanie como tal. De acordo com o vocalista do Maroon 5, os nervos de Martinez a ajudaram a brilhar com sua voz "sussurante". Para a primeira rodada ao vivo, a cantora interpretou "Hit the Road Jack" (1961), por Ray Charles, com um estilo de jazz. Embora o público decida salvar Amanda Brown e Bryan Keith na equipe, Adam salvou Melanie na votação para que ela pudesse continuar competindo.
Em 12 de novembro, quando havia doze pessoas competindo e para a segunda rodada ao vivo, Martinez cantou "Cough Syrup", do Young the Giant, o qual teve uma performance recebida pelos críticos como "simples" e com Christina Aguilera comentando novamente sua performance dizendo que "foi provavelmente a sua apresentação mais emocional". Em 19 de novembro, quando havia apenas dez pessoas concorrendo, a cantora cantou "Seven Nation Army", do The White Stripes, a qual entrou entre as dez melhores posições da iTunes Store, juntamente com "Too Close", canção a qual Martinez também performou nesta mesma rodada nos dias 26 e 27 de novembro, quando havia apenas oito pessoas. Quando havia apenas seis pessoas concorrendo, Martinez cantou "The Show", de Lenka, por escolha de Levine. Logo depois, cantou "Crazy" de Gnarls Barkley por sua escolha, e foi eliminada.
♦ 2014-2017: Dollhouse e Cry Baby
Após sua saída do The Voice, Martinez começou a trabalhar em projetos independentes com sua música. Ela lançou seu primeiro trabalho em 2014, Dollhouse, e durante a promoção desse com uma turnê, a Dollhouse Tour, anunciou o título de seu álbum de estreia. Em 2 de julho de 2015, em uma entrevista com o Digital Journal, afirmou que estava trabalhando com a produtora musical Kara DioGuardi para o disco, e ao mesmo tempo anunciando a turnê Cry Baby Tour, a qual tem datas confirmadas entre 26 de agosto de 2015 e 31 de março de 2016, passando pelos Estados Unidos, Canadá e Brasil. Em 16 de julho de 2015, a intérprete divulgou a capa do álbum, a qual a Idolator julgou a melhor capa do ano e a lista de faixas. O álbum foi oficialmente lançado em 14 de agosto de 2015. A cantora disse que está seguindo compondo, mas afirmou que não necessariamente para o próximo álbum.
Martinez terminou de gravar seu segundo álbum, descrevendo-o como as histórias de personagens que vivem no bairro de Cry Baby. Em outubro de 2016, ela lançou um comercial para sua fragrância chamada Cry Baby Perfume Milk, acrescentando que a "idéia para este perfume vem crescendo em meu cérebro desde o momento em que terminei de escrever meu álbum". Foi distribuído diretamente pela gravadora de Martinez, Atlantic Records, tornando-se a primeira gravadora a distribuir uma fragrância. Em novembro de 2016, Martinez lançou seu segundo EP, Extra Clutter, de Cry Baby, um lançamento em vinil físico das faixas bônus de Cry Baby.bem como o single de Martinez, "Gingerbread Man". Ela lançou o videoclipe de sua música "Pacify Her", seguida em dezembro de 2016 por um vídeo para "Mrs. Potato Head". O vídeo de "Mad Hatter" foi lançado em 23 de setembro de 2017. Cry Baby recebeu a certificação Platinum em 24 de fevereiro de 2017.
♦ 2017-2019: Segundo álbum de estúdio e filme K-12
Em março de 2017, Martinez expressou seu desejo de produzir um filme contando a história de cada música de seu segundo álbum, explicando: "Atualmente estou escrevendo um filme ... Vou passar o ano trabalhando nisso, dirigindo, filmando, maquiagem e tudo então é muito trabalho ". Em 15 de maio de 2019, Martinez lançou o primeiro trailer para o álbum revelando o título K-12, previsto para ser lançado em 6 de setembro, com a capa do álbum revelada um dia depois através do Instagram.
O filme conta a história de Crybaby, uma garota forte e sensível,junto com sua melhor amiga doce e sem remorso,Angelita,que fica para ela quando ela é intimidada pelos outros alunos cujos cérebros estão sob controle do diretor e sua equipe perversa. Com a ajuda dos amigos mágicos que encontram ao longo do caminho, assim como um Guia Espiritual Angélico, eles são capazes de ganhar a força que precisam para lutar contra o beligerante condicionamento patriarcal da escola.
♦ 2020-presente: After School e Indicação na Billboard Music Awards
Em janeiro de 2020, Martinez anunciou um EP intitulado After School, revelando o título por meio de suas histórias no Instagram. O EP serviria como uma edição de luxo do K-12. Em 10 de fevereiro de 2020, a gestão de Martinez lançou o primeiro single de After School, intitulado "Copy Cat". A canção apresenta a rapper e compositora americana Tierra Whack. Esta é a primeira vez que Whack trabalha como profissional com Melanie Martinez e a primeira vez que Melanie Martinez apresenta outro artista em uma de suas canções. Martinez mais tarde lançou um segundo single do EP, "Fire Drill", em 26 de junho de 2020. A música já havia sido incluída na sequência de créditos de seu filme, K-12.
Sua música "Play Date", originalmente lançada na edição deluxe do Cry Baby em 2015, se tornou uma das 100 músicas mais tocadas no Spotify nos EUA depois de ganhar popularidade no aplicativo de compartilhamento de vídeo, TikTok. Em outubro de 2020, Melanie foi indicada para Melhor Trilha Sonora no The Billboard Music Awards por seu álbum / filme K-12. Esta foi sua primeira grande indicação na indústria musical.
