2012: Chương trình Tài năng Varsity của MSG và The Voice

Năm 2012, trong năm học trung học cơ sở, Martinez đã tham gia chương trình tài năng MSG Varsity, một cuộc thi tài năng trên truyền hình. Cô trình bày bản cover bài Money (That's What I Want) của nhóm nhạc The Beatles (bản gốc là của Barrett Strong). Tuy nhiên, cô đã bị loại ở vòng hai.[29]

Cuối năm 2012, Martinez đã thử giọng cho mùa thứ ba của The Voice. Cô đã không xem chương trình trước buổi thử giọng.[19] Buổi thử giọng ban đầu, chưa được xác nhận là một cuộc gọi mở, được tổ chức tại Trung tâm Javits. Cô nhớ lại rằng trong khi cô và mẹ cô đang lái xe đến buổi thử giọng, chiếc xe của mẹ cô đã bị hỏng trước khi họ đến Đường hầm Midtown của nữ hoàng và hai người buộc phải "quá giang" một chiếc taxi để đến đó. Vài tháng sau buổi thử giọng đầu tiên, trong khi tại Roosevelt Field Mall, Martinez nhận được tin rằng cô đã tiến đến "vòng hai". Sau đó, cô đã nhận được nhiều cuộc gọi lại cho đến khi cuối cùng cô được chọn để thử giọng trong chương trình.[10]

Martinez đã thử giọng bằng bài " Toxic " của Britney Spears. Ba trong số bốn giám khảo, Adam Levine, CeeLo Green và Blake Shelton, nhấn nút quay lại cho cô ấy. Martinez đã chọn Adam Levine làm huấn luyện viên của mình.[30]

Trong Battle Round, Martinez đã thi đấu với Caitlin Michele. Họ đã biểu diễn một bản song ca của bài hát " Lights " của Ellie Goulding. Martinez đã chiến thắng và chuyển sang Vòng Loại Trừ. Michele đã bị đánh cắp bởi Cee Lo Green và cũng chuyển đi. Trong vòng Loại Trừ, Martinez được ghép đôi với Sam James. Cô đã chọn hát " Bulletproof " của La Roux. Levine đã loại James và Martinez chuyển đến Vòng Trực tTếp với tư cách là một trong năm thành viên còn lại của Đội Adam. Trong tuần một của Vòng trực tiếp, Martinez đã hát bài " Hit the Road Jack ". Phiếu bầu công khai đã cứu các thành viên của Đội Adam Amanda Brown và Bryan Keith.

Levine sau đó đã chọn Martinez thay Loren Allred và Joselyn Rivera để ở lại thi đấu. Trong tuần thứ ba, màn trình diễn " Seven Nation Army " của Martinez đã kết thúc thời gian bỏ phiếu ở vị trí thứ 10 trên Bảng xếp hạng 200 đơn hàng đầu iTunes, khiến số phiếu bầu trên iTunes của cô được nhân lên gấp mười.[31] Điều này xảy ra một lần nữa trong tuần thứ tư, khi " Quá gần " kết thúc thời gian bỏ phiếu ở # 6.[32] Martinez đã bị loại bởi khán giả bình chọn trong tuần thứ năm, cùng với thành viên của đội Adam, Amanda Brown, khiến Levine không còn thí sinh. Đáp lại, Martinez nói: "Tôi chưa bao giờ mong đợi sẽ đi xa đến thế và điều này vượt xa những gì tôi từng mơ ước. Tôi rất vui vì đã thể hiện mình là một nghệ sĩ và thực sự chạm đến trái tim của mọi người vì đó là mục tiêu cuối cùng. " [33]

2013 - 2014: Dollhouse EP

Sau buổi biểu diễn, Martinez bắt đầu làm việc độc lập với tài liệu gốc, mà cô nói rằng cô đã dành phần lớn năm 2013 để viết. Cô đã phát hành đĩa đơn đầu tay, "Dollhouse", vào ngày 9 tháng 2 năm 2014.[34]

Sau đó, cô đã so sánh câu chuyện của bài hát với Edward Scissorhands, nói rằng "[Đó] là ngôi nhà hoàn hảo với bãi cỏ hoàn hảo và tất cả đều giống nhau. Nhưng đằng sau mỗi ngôi nhà, có một nhóm người đang trốn tránh sự giàu có và hoàn hảo. " [35] Martinez cũng đã phát hành một video âm nhạc cho ca khúc, được tài trợ bởi một trang Indiegogo do Martinez tạo ra, và tóc, trang điểm và chụp đều do bạn bè của cô thực hiện.[12][36][37] Bài hát được sản xuất và chăn bò bởi bộ đôi sáng tác NYC Kinetic & One Love.[38]

Vào ngày 7 tháng 4 năm 2014, Martinez đã ký hợp đồng với Atlantic Records và tuyên bố cô sẽ lưu diễn. Cô đã phát hành EP đầu tay của mình, Dollhouse, vào ngày 19 tháng 5 năm 2014.[39][40][41] Đĩa đơn duy nhất từ EP, "Carousel", cũng được Hiệp hội Công nghiệp ghi âm Mỹ (RIAA) chứng nhận vàng, và được giới thiệu trong bản xem trước cho miniseries American Horror Story: Freak Show.[42] Bài hát đạt vị trí thứ chín trên bảng xếp hạng Bài hát kỹ thuật số thay thế.[43] Một video cho ca khúc cũng được phát hành.

2015 - 2017: Cry Baby

Vào ngày 1 tháng 6 năm 2015, Martinez đã phát hành " Pity Party " duy nhất, được chứng nhận vàng bởi RIAA, và điệp khúc trong đó lấy mẫu " Its My Party " của Lesley Gore.[44] Vào ngày 10 tháng 7 năm 2015, Martinez đã phát hành đĩa đơn thứ hai của album " Soap ".[45] Video âm nhạc chính thức có hơn ba mươi triệu lượt xem trên YouTube. Nó đạt vị trí thứ mười hai trên bảng xếp hạng Bài hát kỹ thuật số thay thế và số mười sáu trên bảng xếp hạng Bài hát kỹ thuật số Pop. "Sippy Cup" tiếp theo vào ngày 31 tháng 7, tiếp theo là album mười bốn ngày sau đó.[46][47] Cry Baby được phát hành vào ngày 14 tháng 8 năm 2015, để kiểm duyệt những lời khen ngợi.[48][49][50] Album ra mắt ở vị trí thứ 6 trên Billboard 200.[43] Martinez đã phát hành một đĩa đơn có chủ đề Giáng sinh, "Gingerbread Man", vào tháng 12 năm 2015. Cô ban đầu phát hành bài hát trên SoundCloud vào ngày 21 tháng 12 năm 2015 dưới dạng "quà tặng cho người hâm mộ", nhưng sau đó đã phát hành bài hát trên iTunes vào tháng 1 năm 2016 dưới dạng đĩa đơn.[21][51] Video âm nhạc của bài hát "Cry Baby" của cô được phát hành vào ngày 14 tháng 3 năm 2016.[52][53] Video âm nhạc theo phong cách karaoke cho "Alphabey Boys, do Martinez đạo diễn, được phát hành vào ngày 2 tháng 6 năm 2016. Martinez đã phát hành các video tính năng kép cho "Xà phòng" và "Training Wheels" cùng với "Tag, You're it" và "Milk and Cookies".[54][55]

Martinez đã hoàn thành thu âm album thứ hai của mình, mô tả nó như những câu chuyện về các nhân vật sống trong khu phố của Cry Baby.[22] Vào tháng 10 năm 2016, cô đã phát hành một quảng cáo cho sản phẩm nước hoa của mình có tên Cry Baby Perfume Milk, thêm rằng "ý tưởng cho loại nước hoa này đã được nuôi dưỡng trong não tôi kể từ khi tôi viết xong album của mình." Nó được phân phối trực tiếp bởi hãng thu âm của Martinez, Atlantic, khiến họ trở thành hãng thu âm đầu tiên phân phối nước hoa.[56] Vào tháng 11 năm 2016, Martinez đã phát hành EP thứ hai của mình, Cry Baby's Extra Clutter, một bản phát hành vinyl vật lý của các phần thưởng từ Cry Baby cũng như đĩa đơn của Gingerz, "Gingerbread Man". Cô đã phát hành video âm nhạc cho bài hát "Pacify Her" của mình sau đó vào tháng 12 năm 2016 bởi một video cho "Mrs. Đầu khoai tây ".[57][58] Video cho "Mad Hatter" được phát hành vào ngày 23 tháng 9 năm 2017. Cry Baby đã được chứng nhận Bạch kim vào ngày 24 tháng 2 năm 2017.[59][60]

2017 - 2019: Album và phim K-12

Vào tháng 3 năm 2017, Martinez bày tỏ mong muốn được sản xuất một bộ phim kể về câu chuyện của từng bài hát trong album thứ hai của cô, giải thích "Tôi hiện đang viết một bộ phim... Tôi sẽ dành cả năm để làm việc đó, chỉ đạo, chụp, trang điểm và mọi thứ vì vậy nó rất nhiều công việc ".[61][62] Vào ngày 15 tháng 5 năm 2019, Martinez đã phát hành đoạn giới thiệu đầu tiên cho album tiết lộ tiêu đề K-12,[63] phát hành vào ngày 6 tháng 9,[64] với bìa album được tiết lộ một ngày sau đó thông qua Instagram.[65] Mặc dù bộ phim đã có mặt ở một số rạp trên toàn thế giới, Martinez cũng đã đăng bộ phim lên YouTube và đưa nó vào một phiên bản của album K-12 có thể tải xuống. Trong một cuộc phỏng vấn với PeopleTV, Melanie đã đề cập rằng cô có hai phần tiếp theo và hai album hình ảnh được lên kế hoạch tiếp theo từ album và phim K-12. Cô nói: "Tôi có kế hoạch cho bộ phim tiếp theo của mình, theo như tôi muốn làm, và bộ phim sau đó và cả hai đều có album kèm theo... Hy vọng rằng [quá trình] sẽ nhanh hơn lần này và sẽ không như bốn năm nữa vì tôi đã thực hiện nó ít nhất một lần và tôi đã vượt qua tất cả những đường cong học tập mà tôi phải tiếp cận và tìm ra. " [66]

2020 - Hiện tại: After School

Vào tháng 1 năm 2020, Martinez đã công bố một EP có tên After School, tiết lộ tiêu đề thông qua các câu chuyện trên Instagram của cô. EP sẽ phục vụ như một phiên bản cao cấp của K-12.[67] Vào ngày 10 tháng 2 năm 2020, quản lý của Martinez đã phát hành đĩa đơn đầu tiên từ After School, mang tên "Copy Cat".[68] Bài hát có sự tham gia của rapper và nhạc sĩ người Mỹ Tierra Whack. Điều này đánh dấu lần đầu tiên Whack làm việc trong khả năng chuyên nghiệp với Melanie Martinez, và lần đầu tiên Melanie Martinez đã giới thiệu một nghệ sĩ khác trong một trong những bài hát của mình.[69]