Débuts dans les cabarets rive gauche de Paris, notamment à La Colombe. Elle enregistre dès 1956, sa voix chaude d'alto accompagnée de sa guitare. En 1962, elle commence à mettre en musique des poèmes de Jean Genet, dont elle reçoit les encouragements. Sur une proposition de Jean Vilar, elle monte au Festival d'Avignon de 1966 le spectacle "Terres mutilées" sur des textes de René Char, avec Roger Blin, Francesca Solleville, Bachir Touré. Elle installe sa maison de production, le disques du Cavalier, dans le Vaucluse en 1970.

Une longue amitié avec Aragon et Giono est marquée par des adaptations de poèmes en chanson (en 1971) et des émissions de télévision sur leur œuvre (dont une adaptation de Jean le Bleu). En 1975 paraît son interprétation de l'Élégie à Pablo Neruda d'Aragon, qui lui avait fait rencontrer le poète chilien.

Parmi ses autres poètes de prédilection, on compte Audiberti, Colette, Lucienne Desnoues, Paul Éluard, Luc Bérimont, Eugène Guillevic, Louise Labé, Queneau, Seghers, Supervielle, Soupault, Jean Mogin... Elle reprend aussi des chansons de Léo Ferré ou Gilles Vigneault. Philippe Soupault lui rend hommage dans une monographie publiée en 1974 (Hélène Martin, éditions Seghers).

En 1976, elle monte "Chansons/roman" au Carré Silvia Montfort. Après un spectacle sur Georges Braque au Centre Pompidou en 1982, elle adapte à la scène Le Condamné à mort de Jean Genet en 1984, sous forme d'opéra-poème au théâtre Romain Rolland de Villejuif. Son engagement féministe transparaît dans son album Liberté femme (1982-1990) et dans la réalisation d'une série de sept émissions sur la contraception (Le Choix).

Elle est aussi productrice des disques du Cavalier, créatrice de concerts et spectacles musicaux, auteure d'émissions radiophoniques, auteure réalisatrice de télévision, metteur en scène, et créatrice de la série télévisée Plain chant, dédiée aux portraits de poètes.

En 1998, Étienne Daho sort l'enregistrement en concert de la mise en musique par Hélène Martin de "Sur mon cou" de Genet. En 1999, elle enregistre un nouvel album, La Douceur du bagne, sur des poèmes de Michel-Ange, Artaud, Rimbaud, Fargue, Claude Roy ou encore François Villon.

Elle fait partie des grands interprètes de poésie, avec Léo Ferré, Jean Ferrat, Paco Ibáñez ou Angélique Ionatos.