Το ντεμπούτο της στον κινηματογράφο το έκανε σε ηλικία 17 ετών (1956) στην ταινία της Φίνος Φιλμς, "Η άγνωστος". Το θεατρικό της ντεμπούτο έγινε το 1957 στην επιθεώρηση "Ελέφαντες και ψύλλοι" εκεί όπου γνωρίστηκε με το Γιάννη Δαλιανίδη. Στην τηλεόραση εμφανίζεται πρώτη φορά στη σειρά Ο Δρόμος, 1977 το σενάριο της οποίας υπέγραφε αρχικά και μέχρι το θάνατό του ο Κώστας Πρετεντέρης.
Η κινηματογραφική της καριέρα συνδέθηκε με τα λαμπερά μιούζικαλ και τις κωμωδίες του Γιάννη Δαλιανίδη. Η συνεργασία τους ξεκίνησε το 1961 στην ταινία Ζητείται ψεύτης. Η ίδια λέει χαρακτηριστικά ότι, αν και ήταν μόλις 21-22 χρόνων.
Το μοναδικό μιούζικαλ στο οποίο η Μάρθα Καραγιάννη δεν χόρεψε, ήταν το "Μερικοί το προτιμούν κρύο". Στη μουσική ταινία "Οι θαλασσιές οι χάντρες", 1967 εμφανίζεται ως καθαρά κωμική ηθοποιός κάτι στο οποίο επέμεινε πολύ ο Γιάννης Δαλιανίδης για όλα τα χρόναι που συνεργάστηκαν. Το 1969, θα παίξει ένα δραματικό ρόλο στην ταινία του Νίκου Φώσκολου, "Πεθαίνω κάθε ξημέρωμα». Τελευταία ταινία εκείνη την περίοδο είναι Ο Μάγκας με το τρίκυκλο, 1972 ενώ θα επανέλθει μερικά χρόνια αργότερα με την ταινία πρωταγωνιστών του Γιώργου Λαζαρίδη, Ο Ποδόγυρος, 1980. Τελευταία έπαιξε στις ταινίες: "Πεθαίνω για σένα", 2009 και "Από έρωτα", 2014.