Martina Welschenbach erhielt ihre musikalische Ausbildung in ihrer Heimatstadt an der Hochschule für Musik in Stuttgart, an der Guildhall School of Music und am Royal College of Music in London. Während ihres Studiums gastierte sie bereits am Staatstheater Stuttgart und am Nationaltheater Zagreb.

2005 wurde sie Mitglied im Internationalen Opernstudio des Opernhauses Zürich und wurde schnell ins feste Ensemble übernommen. Mit der Spielzeit 2008/09 wechselte Martina Welschenbach an die Deutsche Oper Berlin. Hier sang sie Musetta / LA BOHÈME, Gretel / HÄNSEL UND GRETEL, Oscar / UN BALLO IN MASCHERA, Ännchen / DER FREISCHÜTZ und Echo / ARIADNE AUF NAXOS sowie Clorinda / LA CENERENTOLA, Susanna / LE NOZZE DI FIGARO, Zerlina / DON GIOVANNI, Micaëla / CARMEN, Pamina / DIE ZAUBERFLÖTE, Woglinde / DAS RHEINGOLD und GÖTTERDÄMMERUNG, Karolka / JENŮFA, Solveig / PEER GYNT, Liù / TURANDOT und Füchslein Schlaukopf / DAS SCHLAUE FÜCHSLEIN.

Martina Welschenbach arbeitete im Laufe ihrer Karriere mit den Dirigenten Christoph Eschenbach, Vladimir Fedosejev, Nikolaus Harnoncourt, Cornelius Meister, Ingo Metzmacher, Carlo Rizzi, Sir Donald Runnicles, Nello Santi, Peter Schneider, Franz Welser-Möst, Jonathan Nott, Sir Simon Rattle und mit namhaften Regisseuren wie Claus Michael Gruber, Jens-Daniel Herzog, Martin Kušej, Carlo Lievi, Christof Loy, Giancarlo del Monaco, David Pountney zusammen.

In der Spielzeit 2012/13 eröffnete sie sich mit ihrem überaus erfolgreichen Debüts als Freia in Wagners DAS RHEINGOLD und Eva in DIE MEISTERSINGER VON NÜRNBERG den Weg ins deutsche Fach.

Gastspiele und Konzerte führten sie u.a. nach Wien, Paris, Luzern, Stuttgart, Düsseldorf, Eutin und Leipzig. Höhepunkte waren ihr gefeiertes Debüt an der Opéra National de Paris als Regina in MATHIS DER MALER unter Christoph Eschenbach, die Rolle der Thekla / WALLENSTEIN mit dem ORF unter Cornelius Meister im Wiener Konzerthaus, Fiordiligi / COSÌ FAN TUTTE in einer konzertanten Aufführung unter Marcus Bosch, Tatjana / EUGEN ONEGIN in mehreren konzertanten Aufführungen mit der Nordwestdeutschen Philharmonie sowie ihr Debüt bei den Berliner Philharmonikern mit Claude Debussys „La Damoiselle élue“ unter der musikalischen Leitung von Sir Donald Runnicles.

Seit der Spielzeit 2015/16 ist Martina Welschenbach freischaffend. An der Deutschen Oper Berlin ist sie weiterhin ein gern gesehener Gast mit Partien wie der Irene in Wagners RIENZI und Senta / DER FLIEGENDE HOLLÄNDER. Wichtige Rollendebüts und Gastspiele beinhalteten die Titelpartie der Oper LULU an den Wuppertaler Bühnen, Marschallin / DER ROSENKAVALIER sowie Leonore / FIDELIO am Theater Bonn, erneut Senta / DER FLIEGENDE HOLLÄNDER an den Opernhäusern in Nantes, Angers und Rennes und die Premiere von Jan Dvořáks und Philipp Stölzls Musiktheater Revue PHANTOME DER OPER (eine szenische Gala der Arien des Genres), am Nationaltheater Mannheim. Es folgte ihre erste Sieglinde / DIE WALKÜRE unter der Leitung von Nicholas Milton und in der Regie von Aron Stiehl am Stadttheater Klagenfurt bevor sie im Herbst 2022 am Teatro Comunale di Bologna erstmals die Elsa / LOHENGRIN unter der Leitung von Asher Fisch sang. An der Oper Leipzig war sie 2023 Ellen Orford in der Premierenbesetzung von PETER GRIMES unter der Leitung von Christoph Gedschold und der Regie von Kay Link und am Staatstheater Braunschweig sang sie Sieglinde in einer konzertanten Vorstellung der WALKÜRE unter der Leitung von Srba Dinić.

Im Konzertbereich war sie jüngst u. a. als Peri in Schumanns „Das Paradies und die Peri“ mit der Robert-Schumann-Philharmonie Chemnitz und dem MDR-Rundfunkchor zu hören, beim Internationalen Festival „Anima Mundi“ in Pisa mit Richard Strauss‘ „Vier letzte Lieder“ mit dem Pianisten James Baillieu sowie mit Zemlinskys Lyrische Symphonie unter der Leitung von Stefan Blunier und dem Orquestra Sinfónica do Porto Casa da Música.

In 24/25 kehrte sie mit der Senta im FLIEGENDEN HOLLÄNDER an die Oper Leipzig zurück und sang erstmals am Gran Teatro La Fenice im Malibran in Kurt Weills DER PROTAGONIST die weibliche Hauptpartie in einer Neuproduktion von Ezio Toffolutti und unter Stabführung von Markus Stenz.