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O estilo do primeiro álbum de estúdio da banda combinou metal progressivo e rock espacial com influências e elementos da eletrônica , utilizando programação e sintetizadores. Ryan Rayhill do Blender descreveu o álbum como uma " ópera espacial de alto astral de escopo épico condizente com os protótipos de rock progressivo Rush ", e escreveu que Thirty Seconds to Mars "surgiu com uma estréia de mesmo nome que soa como" Tool on O Lado Negro da Lua ", referindo-se ao álbum de 1973 do Pink Floyd.
Enquanto as letras do álbum de conceito homônimo se concentram na luta humana e na autodeterminação, as letras de A Beautiful Lie são mais pessoais e a música introduz vocais gritando. A transformação que ressoa ao longo do álbum reflete as mudanças pessoais e artísticas experimentadas pelos membros da banda antes e durante a criação do álbum. O álbum ampliou o som da banda, combinando elementos do rock progressivo, hard rock e emo . Esse estilo de rock alternativo foi comparado a bandas como The Cure , U2 e The Smashing Pumpkins. O terceiro lançamento, This Is War, foi descrito como "um som de rock extremamente progressivo com refrões assassinos", inspirando desde o experimental Pink Floyd até o melódico M83. Chris Harris da Rolling Stone considerou "uma ambiciosa coleção de rock experimental " moldada pelas lutas pessoais da banda e pela batalha legal com sua gravadora. Stephen Thomas Erlewine da AllMusic reconheceu a progressão da banda, referindo-se ao estilo geral do álbum como uma mistura de synth rock , heavy metal e rock progressivo. Em Love, Lust, Faith and Dreams, a banda experimentou diferentes instrumentos e extraiu influências de uma gama mais ampla e variada de estilos. O álbum mistura instrumentação experimental com elementos tanto sinfônicos quanto eletrônicos, e a música introduz uma abordagem minimalista cheia de sonoridades etéreas. O registro carrega o formato de álbum conceitual de This Is War e expande o espectro para girar em torno dos temas após os quais é nomeado.