Een NBC-radioserie, The Martin and Lewis Show, liep van 1948-53. Martin en Lewis maakten een belangrijk optreden in de eerste aflevering van Ed Sullivans show, Toast of the Town, in juni 1948, hoewel ze misschien al eerder op TV verschenen in Hour Glass, de eerste TV-variëteitsshow die van mei 1946 tot maart 1947 werd uitgezonden, in de tijd dat het duo voor het eerst formeel een duo vormde. Op 3 en 10 oktober 1948 was het team de ster in de eerste twee afleveringen van de NBC live televisie variété show Welcome Aboard – kinescope is bewaard gebleven van deze live TV uitzending in het UCLA Film and Television Archive.
Op 3 april 1949 debuteerden ze in hun TV-versie van hun “Martin & Lewis” radioshow op het NBC-TV netwerk, met als gast Bob Hope, waarbij hun inaugurele programma matige kritieken kreeg in het nummer van 30 april 1949 van het tijdschrift Billboard. Lewis huurde de jonge komedieschrijvers Norman Lear en Ed Simmons in om hun act te verbeteren. Tegen 1950 waren Lear en Simmons de belangrijkste schrijvers voor Martin en Lewis.
Ook in 1949 werden Martin en Lewis gecontracteerd door Paramount Pictures producer Hal Wallis als comedy relief voor de film My Friend Irma.
Martin was blij om uit New York City weg te zijn, een plek waar hij zijn hele leven een hekel aan had gehad, en hij was ook geen fan van hoge gebouwen. Martin vermeed liften meestal vanwege claustrofobie. Hij hield er niet van om in hoge gebouwen meerdere trappen te moeten beklimmen of de lift te moeten nemen als hij naar een hoge verdieping moest. Zelfs toen zijn succes hem in staat stelde een appartement in een flatgebouw in Manhattan te huren, koos hij er een op de derde verdieping. Hij hield van Los Angeles en het feit dat het weinig hoge gebouwen had.
Hun agent, Abby Greshler, onderhandelde voor hen over een van Hollywoods beste deals. Ze kregen samen 75.000 dollar voor hun films met Wallis, een respectabel filmsalaris in de jaren veertig. Martin en Lewis waren ook vrij om één externe film per jaar te maken, die ze zouden coproduceren via hun eigen York Productions. Hun eerste speelfilm met een hoofdrol was het onafhankelijk geproduceerde At War with the Army (1950). Ze hadden ook volledige controle over hun club, platen, radio en televisie optredens, en het was door deze inspanningen dat Martin en Lewis miljoenen dollars verdienden. In de jaren 1950 waren ze regelmatig te zien in NBC’s Colgate Comedy Hour.
Hun Comedy Hour shows bestonden uit muzikale zang en dans uit hun nachtclubact of films, met Dick Stabile’s big band, sketchcomedy met slapstick of satires van actuele films en tv-shows, Martin’s solonummers, en Lewis’ solopantomimes, fysieke nummers of het dirigeren van het orkest. Martin en Lewis vielen vaak uit hun rol, improviseerden en doorbraken de vierde muur. Deze vroege televisieshow vestigde hun populariteit in het hele land.
Hoewel er al eerder een aantal zeer succesvolle filmteams waren geweest, vormden Martin en Lewis een nieuw soort duo. Beiden waren getalenteerde entertainers, maar het feit dat ze zo’n goede vrienden waren op en naast het podium tilde hun act naar een nieuw niveau. Lewis gaf later een verklaring voor hun succes:
“Wie waren Dean’s fans? Mannen, vrouwen, de Italianen. Wie waren Jerry’s fans? Vrouwen, Joden, kinderen. Wie waren de fans van Martin en Lewis? Allemaal… Je had fans die het niet kon schelen dat Lewis op was of dat Martin zong. Want als Dean zong, waren dat Martin en Lewis. Als Jerry uit z’n dak ging, waren dat Martin en Lewis.”
Martin en Lewis waren de populairste act in Amerika aan het begin van de jaren ’50, en ook de best betaalde act in de showbusiness volgens een artikel in LIFE Magazine uit 1951, waarin het duo figureerde tijdens hun meest succesvolle filmtournee ter promotie van That’s My Boy. De tournee was zo succesvol dat het publiek hun stoelen niet meer wilde verlaten, dus begonnen Martin en Lewis “gratis shows” te geven op brandtrappen of uit de ramen van hun kleedkamers, waarbij ze de straten volstampten met aanbiddende fans in de hoop een prijs te vangen – een hoed, een schoen, misschien een handtekening. Het tempo en de druk eisten echter al snel hun tol. Martin had meestal de ondankbare taak van de ‘straight man’, en zijn zang had zich nog niet ontwikkeld tot zijn unieke stijl van zijn latere jaren. De critici prezen Lewis, en hoewel ze toegaven dat Martin de beste partner was die hij kon hebben, beweerden de meesten van hen dat Lewis het echte talent van het team was en met iedereen kon slagen. Lewis prees Martin in zijn boek Dean & Me, waarin hij Martin een van de grote komische genieën aller tijden noemde.
Na vijf jaar bij Paramount werd Dean Martin moe van scripts die hem beperkten tot kleurloze romantische hoofdrollen terwijl delen van hun films draaiden om de capriolen van Lewis. De laatste druppel kwam toen het tijdschrift Look Martin en Lewis een coverfoto gaf – en Martin uit de foto sneed. Martin voldeed plichtsgetrouw aan de rest van zijn filmcontract, maar raakte steeds meer gedesillusioneerd over zijn samenwerking met Lewis, wat leidde tot escalerende ruzies tussen de twee. De twee konden niet langer samenwerken, vooral toen Martin boos tegen Lewis zei dat hij “niets voor me was dan een verdomd dollarteken”. Martin verliet de act bij zijn eerste gelegenheid, na hun afscheidsoptreden in de Copacabana Club op 25 juli 1956, precies tien jaar na hun eerste officiële samenwerking. Hun laatste film samen, Hollywood or Bust, werd in december van dat jaar uitgebracht.