Мелані Адель Мартінес народилася 28 квітня 1995 року в Асторії, штат Квінс, у батьків Мері та Хосе Мартінес , які мають домініканське та пуерториканське походження. Її сім'я переїхала до Болдуіна, штат Нью-Йорк, на Лонг-Айленді, коли Мартінес було чотири роки. Вона слухала Бренді, Брітні Спірс, Шакіру, The Beatles, Тупака Шакура, Біггі Смоллса і Крістіну Агілеру, і хотіла бути співачкою з дитинства.
Мартінес ходила в Plaza Elementary School та вже у дорослому віці відзначила свого вчителя містера Надієн за те, що саме він навчив її співати.
Ще в садочку вона почала писати вірші. У Мелані було не так багато друзів в дитинстві: їй доводилося сидіти вдома. Вона була дуже емоційною і, не знаходячи слів, щоб описати свої почуття- плакала. Вона використовувала фотографію та мистецтво як спосіб самовираження. Через те, що в дитинстві вона була емоційною, інші називали її «плаксою» (на англ. cry baby), що і надихнуло дівчину на створення головного персонажа її дебютного альбому Cry Baby.
В віці 14 років Мартінес самотужки навчилася грати на гітарі, вивчаючи акорди пісень, що їй подобались. Саме тоді вона написала свою першу пісню, додавши свої слова до одної з груп акордів. Протягом другого навчального року, вона виграла у шоу талантів в своїй школі. Вона критикувалась своїми однокласниками після появи на шоу The Voice.
