Suas primeiras composições, segundo Martinez, eram inspiradas com a cantora tocando um violão, porém a mesma disse que agora é mais focada em conceitos, e que atualmente toca apenas guitarra elétrica. Ela também descreveu o disco Cry Baby como "um livro de histórias sobre uma criança para adultos", falando que escreveu "sobre situações por quais eu já passei". A cantora falou que em 2013 e 2014, dentre as ideias que tinha para o EP Dollhouse e Cry Baby, ela queria criar uma história por meio de suas escritas, um conceito que era compreendido por Kinetics & One Love, um grupo de produtores os quais tem como estilo principal o hip hop. A mesma disse que trabalhar com eles foi "bom para caramba, porque eles estavam abertos a experimentar sons de brinquedos por horas, e assistir filmes do Tim Burton nas nossas sessões, antes de escrevermos". Martinez também fez o disco com outros escritores e produtores, incluindo a Kara DioGuardi, a qual, no seu primeiro disco, fez a composição de "Pity Party" e "Cake", faixa bônus do projeto. A cantora afirmou que, quando estava cantando, a compositora "disse que minha voz lembrou a de Judy Garland e artistas da época".
Estilo e influências
Para compor suas canções, Martinez se inspira em coisas relacionadas à sua infância, como carrosséis e carnavais.
Seu estilo musical tem como base gêneros independentes como indie folk e pop alternativo. Martinez creditou a Kimbra, Gregory and the Halk, Feist, Regina Spektor,Lana del Rey e sua própria mãe como algumas das pessoas que influenciam a sua criatividade e desenvolvimento artístico. A cantora descreveu os gêneros musicais de seu primeiro extended play, intituladoDollhouse, como "ritmos pesados [e] inspirados pelo hip hop/trap com sons infantis [feitos com], por exemplo, pianos para bebês, caixas de música e brinquedos". O trabalho incluiu canções pop escuras, como a faixa-título.
Esteticamente, Melanie é conhecida pelo seu cabelo de duas cores, semelhante ao personagem de Disney, Cruella de Vil. Ela tinha tingido assim um pouco antes de sua audição no The Voice, para o que seria considerado "quase um crime" o mudar. A cantora só tingiu um lado loiro de seu cabelo e não queria ele em uma mesma cor. Como sua música tem uma relação muito próxima com o seu estilo visual, Martinez usa cabeças de bonecas, coisas peludas, meias de renda, vestidos de Peter Pan, garrafas e outros objetos. Ela descreve-se como uma criança Lolita de 1950. A presidente da gravadora Atlantic Records, Julie Greenwald, disse em uma entrevista que "não vai esquecer o dia em que conheceu a cantora", afirmando que "ela entrou e ela estava usando um vestido de boneca, seu cabelo era de duas cores diferentes. Ela estava usando um colar louco feito a partir de peças de bonecos". Durante uma entrevista com Greg Mania para a Creem Magazine, a artista disse: "Eu sempre tive uma forte conexão com minha infância. Minha personalidade também reflete isso. Como se eu tivesse cinco anos, me visto como se tivesse cinco anos. Acho que sou apenas uma menina com coração".
