Ela se tornou uma vocalista notável da Era da Big Band e conhecida em todo o circuito como a "Liltin 'Miss Martha Tilton". Nascida em 14 de novembro de 1915, esta loira nascida no Texas foi o produto afortunado de uma família musical, com seus pais tocando ativamente piano e cantando em casa enquanto ela crescia. A família se mudou para Los Angeles quando Martha tinha apenas sete meses de idade. Com uma voz naturalmente talentosa, ela começou como cantora adolescente não remunerada na rádio local, mas não demorou muito para atrair um agente e começar a receber reservas pagas em locais como o Coconut Grove com a banda de Al Lippan.

Martha finalmente se juntou ao cantor Jo Stafford e outros para formar um refrão para Benny Goodman em seu programa de rádio. Ela se tornou a vocalista principal de Goodman depois que sua ex-cantora se separou e chegou ao grande momento com a música "And the Angels Sing". Ela ficou com Goodman por mais de três anos gravando, tocando uma noite e cantando nas ondas de rádio. Em 1942, Martha se tornou uma das primeiras artistas a gravar para a Capitol Records, permanecendo na empresa até 1949. Durante os anos da guerra, ela também apareceu em vários filmes e foi destaque em Swing Hostess (1944) e Crime S / A (1945). Outros filmes que vinham em seu caminho geralmente a apresentavam como cantora de especialidade, em vez de incorporá-la à trama. As músicas de alguns desses filmes incluíam versões encantadoras de "Let's Capture That Moment", "What I Fool I Was", "I'm Guilty" e "Say It With Love".

Nos anos posteriores, ganhou seus próprios programas de rádio ("Liltin 'Martha Tilton Time") e prosseguiu solidamente na década de 1950, encontrando frequentemente trabalhos de canto na TV para complementar sua renda. Alguns de seus maiores sucessos de gravação incluíam "Como estão as coisas em Glocca Mora", "Time After Time", "Eu deveria me importar", "Um estranho na cidade" e "Vou andar sozinho". Martha se casou com um executivo aeroespacial em 1953, mas continuou sua carreira e atuou como vocalista na cinebiografia de Goodman A Música Irresistível por Benny Goodman (1956), estrelada por Steve Allen, reprisando seu sólido sucesso "And the Angels Sing". Dentro de alguns anos, ela se aposentou permanentemente para criar três filhos.

A irmã mais nova Liz Tilton cantou com Ken Baker em meados da década de 1930 e com Buddy Rogers posteriormente. Ela também cantou com Bob Crosby em 1941 e Jan Garber em 1942.
Forneceu várias vozes para as estrelas de cinema, incluindo Barbara Stanwyck,
Inicialmente com Jimmy Dorsey e sua banda, ela cantou com Artie Shaw e Billy Mills nos anos pós-Goodman.
Entre seus álbuns posteriores, "We Sing the Old Songs" (1957), uma mistura de músicas antigas e padrões recentes com Curt Massey, que mais tarde se tornou conhecido por cantar a música tema da série rural da CBS Petticoat Junction (1963).
Foi membro do grupo vocal dos anos 30, Three Hits and a Miss.
Durante a Segunda Guerra Mundial, Martha viajou pelo mundo com Jack Benny, Carole Landis e Larry Adler. Eles fizeram centenas de shows para os militares estacionados no exterior.
Após a aposentadoria, os passatempos de Martha eram Golfe, Tênis, Bordado, Leitura e Natação.
Sua música de 1947 "That's My Desire" foi apresentada no videogame de 2011 L.A. Noire (2011).
Era conhecida como "The Liltin 'Miss Martha Tilton".