2013-2017: Dollhouse y álbum de estudio debut Cry Baby

 Tras quedar fuera de The Voice, Martínez se embarcó en una pequeña gira musical a través de los estados de su país mientras escribía y grababa su propia música.​ Comenzó el 30 de marzo de 2013 en el club The Evening Muse en Charlotte, Nueva York, y terminó en el salón Schubas en Chicago, Illinois, el 22 de diciembre del mismo año. Se trataba de una gira acústica donde Melanie interpretaba algunas de las canciones que cantó en The Voice al igual que otras originales como «Birthing Addicts», «Million Men» y «Dear Porcupines».​ En octubre de 2013, la cantante anunció que había firmado un contrato con Warner/Chappell Music y, más tarde, lanzó su sencillo debut «Dollhouse» junto con su vídeo musical el 10 de febrero de 2014.​ Escrita por Martínez con ayuda del dúo productor Kinetics & One Love y producida por estos dos, la canción llegó hasta el vigésimo puesto en la lista de sencillos alternativos de iTunes.

​ También recibió escasas pero positivas reseñas por parte de los críticos musicales; Glenn Gamboa de Newsday comparó el estilo de la canción con el de la cantante neozelandesa Lorde al llamarla su «versión estadounidense».​ Por otro lado, Rachel McRady de US Weekly destacó su habilidad artística, «evidente en el vídeo musical». El 14 de agosto de 2015 se publicó el que sería su primer álbum de estudio titulado Cry baby.