Née au Texas, sa famille déménage au Kansas alors qu'elle a trois mois puis en Californie lorsqu'elle a 7 ans[2]. Alors qu'elle est encore au lycée, elle se produit à la radio de Los Angeles[1]. Lors de sa Junior Year, elle est recrutée pour rejoindre le groupe Hal Grayson[3]. Après avoir travaillé avec le leader du groupe Jimmy Dorsey, elle rejoint le groupe de vocalistesThree Hits and a Mist(en)[1]. En 1939, elle est embauchée par Benny Goodman qui lui fait renregistrer And the Angels Sing, enregistré à la trompette par Ziggy Elman[3] à partir d'un air de folkhébreu[3]. La chanson inspire le film Quatre Flirts et un cœur en 1944 bien que la chanson elle-même n'apparaisse pas dans le film[4].
En 1942, Johnny Mercer fonde le label Capitol Records[5] et signe Martha Tilton en solo. Certaines chansons sont des hits telles A Stranger in Town, I Should Care ou encore, I'll Walk Alone[1].
En 1949, Curt Massey(en) l'invite à venir chanter avec lui à la télévision lors de son émission qui deviendra l'émission journalière la plus populaire de la chaîne CBS[2]. En parallèle, elle participe au The Jack Smith Show(en), un autre programme musical de 15 minutes journalier[6]. Dans les années 1940, elle fait quelques incursions dans le cinéma avec Crime, Incorporated (1945) et Swing Hostess (1944). En 1975, elle revient à la télévision pour la première fois depuis l'émission de Kurt Massey avec Queen of the Stardust Ballroom[7].
Son surnom, Liltin' Miss Tilton provient de son émission de radio, Liltin' Miss Tilton Time, diffusée dans les années 1940[1].
