La carriera di Martin come cantante iniziò veramente quando incontrò il comico Jerry Lewis in un club e decisero di formare una coppia comico-musicale. Hanno avuto successo nei club. Poi recitarono nel film My Friend Irma, che li rese famosi. Lavorarono insieme per dieci anni. Avevano un popolare programma radiofonico. Fecero altri film. Martin divenne un grande successo da solo quando cantò “That’s Amore”. La sua collaborazione con Lewis finì il 26 luglio 1956. Il loro ultimo film, Hollywood or Bust, uscì lo stesso dicembre negli Stati Uniti.
Martin fece parte del Rat Pack, un gruppo di intrattenitori (musicisti e attori), negli anni 50 e 60. Il loro “leader” non ufficiale era Frank Sinatra. (Sinatra chiamava personalmente il gruppo “The Summit”.) Hanno fatto film ed eseguito spettacoli dal vivo insieme, molti a Las Vegas, Nevada.
Martin più tardi ebbe un suo show televisivo. Ha fatto registrazioni per la Reprise Records, un’etichetta discografica fondata da Frank Sinatra. Al culmine dell’era del rock and roll, Martin aveva ancora dischi di successo. La sua “Everybody Loves Somebody Sometime” ha persino scalzato i Beatles dalla vetta delle classifiche di vendita di Billboard.
Martin ha fatto film da solo, che erano per lo più commedie. Quattro di essi lo vedevano nel ruolo di “Matt Helm”, una spia come James Bond. Martin apparve anche in film drammatici, come Rio Bravo e Airport. Quando cantava sul palco o in televisione, aveva sempre con sé un bicchiere da cocktail. Molte persone pensavano che stesse bevendo whisky mentre si esibiva. Tuttavia, in realtà beveva succo di mela per tutto il tempo. Fuori dal palco, Martin beveva whisky Jack Daniels e vino rosso.
Il suo show televisivo fu cancellato nel 1975, ma continuò in televisione con The Dean Martin Celebrity Roasts, una serie di speciali che prendevano in giro le cene dei testimonial. Altri comici e attori apparivano, e invece di lodare l’ospite d’onore, lo prendevano in giro. Nessuna delle prese in giro era seria, però, e tutti di solito si divertivano ai roast. Gli speciali sono andati in onda fino al 1984.