Em 2012, Martinez se tornou uma competidora na terceira temporada do The Voice americano, onde ela audicionou cantando Toxic, da Britney Spears. Três dos quatro mentores apertaram para ela, mas no final, Adam Levine foi o escolhido.
No Duelo, Martinez enfrentou Caitlin Michele, cantando "Lights" da Ellie Goulding, Melanie foi a vencedora. A penúltima etapa antes dos Live Shows foram os Nocautes, onde enfrentou Sam James, Melanie venceu de novo, cantando "Bulletproof" de La Roux. Nos Live Play-off's Melanie escolheu cantar "Hit the Road Jack", passando para os Live Shows, onde teve a chance de ficar por várias semanas antes de ser eliminada com Amanda Brown, também do Team Adam.
Ao ser eliminada, Martinez disse: "Eu nunca esperei chegar tão longe e isto está além do que eu jamais imaginei. Estou tão feliz que pude expressar quem eu sou como uma artista e realmente tocar o coração das pessoas, pois esse era o principal objetivo."
Depois do programa, Martinez começou trabalhando independentemente em material original. Ela liberou seu primeiro single, "Dollhouse" em 22 de Abril de 2014, após a estreia do clipe. Em 7 de abril Melanie anunciou que tinha sido assinada à Atlantic Records, e que começaria uuma turnê. No momento está trabalhando em seu álbum de estreia.
Melanie também é fotógrafa e diz que é sua primeira paixão.