Una serie de radio de la NBC, The Martin and Lewis Show, se emitió entre 1948 y 53. Martin y Lewis hicieron una aparición clave en el primer episodio del programa de Ed Sullivan, Toast of the Town, en junio de 1948, aunque es posible que hayan aparecido antes en televisión en Hour Glass, el primer programa de variedades de televisión que se emitió entre mayo de 1946 y marzo de 1947, durante la época en la que el dúo se emparejó formalmente por primera vez. El 3 y el 10 de octubre de 1948, el equipo fue protagonista de los dos primeros episodios del programa de variedades de televisión en directo de la NBC Welcome Aboard – el cinescopio sobrevive de esta emisión de televisión en directo en el Archivo de Cine y Televisión de la UCLA.
El 3 de abril de 1949, debutaron en su versión televisiva de su programa de radio «Martin & Lewis» en la cadena NBC-TV, con el invitado Bob Hope, con su programa inaugural obteniendo críticas deslucidas en la edición del 30 de abril de 1949 de la revista Billboard. Lewis contrató a los jóvenes escritores de comedia Norman Lear y Ed Simmons para mejorar su acto. En 1950, Lear y Simmons eran los principales guionistas de Martin y Lewis.
También en 1949, Martin y Lewis fueron contratados por el productor de Paramount Pictures Hal Wallis como relevo cómico para la película Mi amiga Irma.
Martin estaba encantado de estar fuera de la ciudad de Nueva York, un lugar por el que había desarrollado una incomodidad de por vida, y tampoco era un fanático de los edificios altos. Martin evitaba sobre todo los ascensores debido a su claustrofobia. No le gustaba tener que subir varios tramos de escaleras en edificios altos ni tener que coger el ascensor si necesitaba ir a un piso alto. Incluso cuando su éxito le permitió alquilar un apartamento en un edificio alto de Manhattan, eligió uno en la tercera planta. Le gustaba Los Ángeles y el hecho de que tuviera pocos edificios altos.
Su agente, Abby Greshler, negoció para ellos uno de los mejores acuerdos de Hollywood. Recibieron 75.000 dólares entre los dos por sus películas con Wallis, un sueldo cinematográfico respetable en la década de 1940. Martin y Lewis también tenían libertad para hacer una película externa al año, que coproducirían a través de su propia York Productions. Su primer largometraje protagonista fue la producción independiente At War with the Army (1950). También tenían el control total de su club, sus discos, su radio y sus apariciones en televisión, y fue a través de estos esfuerzos que Martin y Lewis ganaron millones de dólares. Hicieron apariciones regulares en el programa Colgate Comedy Hour de la NBC durante la década de 1950.
Sus espectáculos de la Hora de la Comedia consistían en canciones y bailes musicales de su acto en clubes nocturnos o películas, con la big band de Dick Stabile, comedia de sketches con slapstick o sátiras de películas y programas de televisión actuales, canciones en solitario de Martin, y pantomimas en solitario de Lewis, números físicos o dirección de la orquesta. Martin y Lewis se salían a menudo del personaje, improvisando y rompiendo la cuarta pared. Este primer programa de televisión les hizo muy populares en todo el país.
Aunque ya había habido varios equipos de cine de gran éxito, Martin y Lewis eran un nuevo tipo de dúo. Ambos eran artistas con talento, pero el hecho de que fueran tan buenos amigos dentro y fuera del escenario llevó su actuación a un nuevo nivel. Lewis explicó más tarde su éxito:
«¿Quiénes eran los fans de Dean? Los hombres, las mujeres, los italianos. ¿Quiénes eran los fans de Jerry? Las mujeres, los judíos, los niños. ¿Quiénes eran los fans de Martin y Lewis? Todos… Tenías fans a los que no les importaba que Lewis estuviera o que Martin cantara. Porque si Dean cantaba, eran Martin y Lewis. Si Jerry se volvía loco, eran Martin y Lewis».
Martin y Lewis eran los artistas más populares de Estados Unidos a principios de los años 50, así como los mejor pagados del mundo del espectáculo, según un artículo de la revista LIFE de 1951 en el que aparecía el dúo durante su exitosa gira de promoción de That’s My Boy. La gira tuvo tanto éxito que los miembros del público no se levantaban de sus asientos, así que Martin y Lewis empezaron a hacer «actuaciones gratuitas» después en las escaleras de incendios, o por las ventanas de sus camerinos, atestando las calles de admiradores con la esperanza de conseguir un premio: un sombrero, un zapato, tal vez un autógrafo. Sin embargo, el ritmo y la presión pronto pasaron factura. Martin solía tener el ingrato trabajo de hombre recto, y su forma de cantar aún no se había convertido en el estilo único de sus últimos años. Los críticos elogiaron a Lewis, y aunque admitieron que Martin era el mejor compañero que podía tener, la mayoría de ellos afirmaron que Lewis era el verdadero talento del equipo y podía triunfar con cualquiera. Lewis elogió a Martin en su libro Dean & Me, donde calificó a Martin como uno de los grandes genios cómicos de todos los tiempos.
Después de cinco años en la Paramount, Dean Martin se estaba cansando de que los guiones le limitaran a protagonistas románticos incoloros mientras parte de sus películas se centraban en las payasadas de Lewis. La gota que colmó el vaso fue que la revista Look les dio a Martin y a Lewis una foto para la portada, y recortó a Martin de la imagen. Martin cumplió fielmente el resto de su contrato cinematográfico, pero cada vez estaba más desilusionado con su asociación con Lewis, lo que provocó una escalada de discusiones entre ambos. Los dos no podían seguir trabajando juntos, especialmente cuando Martin le dijo airadamente a Lewis que no era «nada para mí, sino un maldito signo de dólar». Martin abandonó el acto en la primera oportunidad que tuvo, tras su aparición de despedida en el Club Copacabana el 25 de julio de 1956, exactamente diez años después de su primera unión oficial. Su última película juntos, Hollywood or Bust, se estrenó en diciembre.