Τραγούδησε πρώτη φορά στην ταινία Καπετάνιος για κλάματα το 1960 με το τραγούδι «Σαν φυσά το μαϊστράλι», αλλά έκανε μεγάλη επιτυχία τραγουδώντας στην ταινία Γοργόνες και Μάγκες το 1968 με το «Ο άνδρας που θα παντρευτώ». Επίσης τραγούδησε στη βιντεοταινία Μια τρελή, τρελή ζωντοχήρα του 1988.

Η ταινία Ο παράς κι ο φουκαράς είναι η τελευταία ταινία που έκανε εκτός Φίνου γιατί στη συνέχεια υπέγραψε συμβόλαιο αποκλειστικής συνεργασίας με τη μεγάλη κινηματογραφική εταιρία. Το 1965 έκανε ένα πέρασμα στην ταινία του Γιώργου Κωνσταντίνου 5000 ψέματα.
Το 1969, έπαιξε ένα δραματικό ρόλο στην ταινία του Νίκου Φώσκολου, Πεθαίνω κάθε ξημέρωμα, και ένα κωμικό στην ταινία του Ντίνου Δημόπουλου, Η ωραία του κουρέα.

Η συνεργασία της με το Γιάννη Δαλιανίδη και τον Κώστα Βουτσά απογειώθηκε στην ταινία Το ανθρωπάκι του 1969.
Τελευταία ταινία εκείνη την περίοδο είναι Ο μάγκας με το τρίκυκλο του 1972, ενώ θα επανέλθει μερικά χρόνια αργότερα με την ταινία πρωταγωνιστών του Γιώργου Λαζαρίδη, Ο Ποδόγυρος το 1980.
Τελευταία έπαιξε στις ταινίες Πεθαίνω για σένα (2009) και Από έρωτα (2014).

Θέατρο
Το 1962 έλαβε μέρος στην παράσταση των Θεοδωράκη, Κακογιάννη και Μποστ Όμορφη πόλη.
Συμμετείχε επανειλημμένα στον θίασο Γεωργίας Βασιλειάδου και Βασίλη Αυλωνίτη. Εμφανίστηκε σε επιθεωρήσεις δίπλα στους Νίκο Σταυρίδη, Κώστα Χατζηχρήστο, Γιώργο Κωνσταντίνου, Μαρίκα Νέζερ, Νίκο Ρίζο, Γιάννη Γκιωνάκη, Καίτη Μπελίντα, Σπεράντζα Βρανά, Ρένα Ντορ, Ρένα Βλαχοπούλου, Ορέστη Μακρή, Κατερίνα Γιουλάκη, Σταύρο Παράβα, Αλέκο Λειβαδίτη, Μπέτυ Μοσχονά, Ελένη Προκοπίου, Βαγγέλη Βουλγαρίδη, Γιάννη Φέρμη, Τάκη Μηλιάδη, Σωτήρη Μουστάκα κ.ά.
Η Μάρθα Καραγιάννη όμως δεν έπαιξε μόνο επιθεωρήσεις. Το 1972 συγκρότησε δικό της θίασο και ανέβασε το Καμπαρέ στο θέατρο Καλουτά.

Έπαιξε ανάμεσα σε άλλα Το ρετιρέ της Εύας (1965), Γη SOS (1970), Οι άντρες προτιμούν τις ξανθές (1983), Παγωτό μες στο χειμώνα (1983–84), Αγάπη μου παλιόγρια (1986–87), Απόψε αυτοσχεδιάζουμε (1992–93), Χαμάμ γυναικών (1996–97), Όταν οι γυναίκες το γλεντούν (1998), Αρσενικό και παλιά δαντέλα (1999-2000), Το κορίτσι της γειτονιάς (2002–03), Εκκλησιάζουσες (2004).

Τηλεόραση
Στην τηλεόραση εκτός από το σήριαλ Ο Δρόμος (1977) πρωταγωνίστησε στις σειρές Οι Μικρομεσαίοι του Γιάννη Δαλιανίδη (1992), Ζωή πατίνι του Γιώργου Κωνσταντίνου (1995) και Επτά Θανάσιμες Πεθερές (2004).

Κινηματογράφος Μάρθα Καραγιάννη
Ο θερινός κινηματογράφος Κατερίνα λειτουργεί από το 1960 στην συνοικία Ευγένεια, στο Κερατσίνι. Το 2016 ο ενοποιημένος, πλέον, Δήμος Κερατσινίου - Δραπετσώνας, αγκαλιάζει το θερινό κινηματογράφο, του οποίου η λειτουργία είχε ανασταλεί, το περιποιείται και το ανοίγει ξανά με το νέο όνομα, που του είχε ήδη δοθεί λίγα χρόνια πριν, αφιερωμένο στην ηθοποιό Μάρθα Καραγιάννη.

Προσωπική ζωή
Η Μάρθα Καραγιάννη παντρεύτηκε το Δημήτρη Στεφανάκο, ποδοσφαιριστή του Ολυμπιακού, τον Οκτώβριο, 1960. Ο γάμος έγινε στην εκκλησία του Αγίου Γεωργίου, στην Κυψέλη. Απέκτησαν ένα παιδί που πέθανε τρεις ημέρες μετά τη γέννηση του. Το ζευγάρι χώρισε λίγους μήνες αργότερα.

Το 2001 έγραψε την αυτοβιογραφία της με τίτλο "Ο έρωτας μωρό μου είναι γλέντι" που κυκλοφόρησε από τις εκδόσεις "Άγκυρα". Ένα μεγάλο κομμάτι του βιβλίου περιλαμβάνει συνεντεύξεις που είχε παραχωρήσει μέχρι τότε. Περισσότερα βιογραφικά στοιχεία αλλά και περισσότερες πληροφορίες για τις ταινίες και τα θεατρικά που συμμετείχε περιλαμβάνονται στο δεύτερο αυτοβιογραφικό βιβλίο, "Μάρθα Καραγιάννη, κορίτσι για μιούζικαλ", 2009 που έγραψε ο Μάκης Δελαπόρτας για τις εκδόσεις Ορφέας.
Η Μάρθα Καραγιάννη λάτρευε τα ταξίδια γι' αυτό και δήλωνε "πολίτης του κόσμου". Από το 1980 και μετά γύρισε σχεδόν όλο τον κόσμο.

Κινηματογράφος

Βιντεοταινίες

Θέατρο

Τηλεόραση

Η Μάρθα μέσα από τις συνεντεύξεις

"Ξέρεις, πάντα, από 17 χρονών τους καρατερίστικους ρόλους κιαλάριζα". Γυναίκα, 1983, Άννυ Χέρρα-Ζυμαράκη.
"Χρόνια τώρα περιμένω πώς και πώς να μεγαλώσω, να πάψω να 'μαι όμορφη, να έρθει η στιγμή να κάνω άλλα πράγματα". Ταχυδρόμος, 1983, Άρης Δαβαράκης.
"Ο χορός ήταν πάντα μέσα μου, στο αίμα μου! Το μουσικό θέατρο με τράβηξε σαν μαγνήτης". Εικόνες, 1986, Πέπη Κεφαλά.
"Και στα πράγματα που έκανα επιτυχία, είναι γιατί κάποιοι άλλοι με σπρώξανε και βρέθηκα μπροστά. Μόνη μου δεν θα τολμούσα. Θέλω πάντα να έχω συμμαχία". Απογευματινή, 1986, Εύα Μπίθα.
"Πιστεύω ότι όταν ένας δεν έχει χιούμορ, δεν αποδέχεται την πραγματικότητα". Τραστ, 1987, Γ.Αποστολίδης.
"Το να βγάζει γέλιο ένας ηθοποιός είναι προσωπική υπόθεση, δεν μαθαίνεται. Ή το έχεις ή όχι". Ραδιοτηλεόραση, 1992, Αρετή Μπέσκα.
"Η TV είναι σαν την ερωμένη. Όλοι τη βρίζουν και όλοι τη θέλουν". Σταρ, 1994, Ανδρέας Γερακάκης.
"Ξεκίνησα με ρόλους ωραίας - γιατί να το κρύψουμε άλλωστε. Μετά άρχισαν οι ονειρεμένοι μπουφόνικοι ρόλοι, έλεγα κουταμάρες, κουταμάρες, κουταμάρες, έβαζα ένα μπικίνι, χόρευα και καθάριζα". Αδέσμευτος, 1995, Γ.Ε.Β.
"Θα μπορούσα να παίζω και στο σπίτι μου, αλλά είμαστε εγωιστικά πλάσματα οι θεατρίνοι. Θέλουμε και το κοινό...γιατί έχεις ανάγκη από την αποδοχή". Λοιπόν, 1996, Χρήστος Σιάφκας".
"Μόλις κάναμε χορευτικό, εκεί ήταν οι γκρίνιες, γιατί με πίεζε. Επειδή ήξερε ότι έχω δυνατότητες με πίεζε να κάνω πράγματα που θέλανε κούραση....Κι ο Γιάννης (ο Δαλιανίδης) έλεγε...'Ας την να κλάψει για να έχει επιτυχία η ταινία'...".
"Δεν θεωρώ κανένα δραματικό ηθοποιό καλύτερο από κωμικό. Οι μεγαλύτεροι ηθοποιοί είναι οι κωμικοί. Εγώ εκτιμώ έναν ηθοποιό για το πώς παίζει, όχι για το τι παίζει". Αδέσμευτος Τύπος, 1999, Σόνια Μαγγίνα.
Από το βιβλίο "Ο έρωτας μωρό μου, είναι γλέντι", 2001, Άγκυρα.