2016年12月、マーティン=グリーンが『スタートレック:ディスカバリー』シリーズの主役となることが発表され、当初はレインズフォードと呼ばれていた。以前のスタートレックシリーズでは、スポックは姉の存在に触れていない。製作総指揮のアレックス・カーツマンは、マイケルの背景は正史との連続性を保つよう描かれると説明した。過去のシリーズと異なって主人公は船長ではなく、シリーズはこれまでにない視点から描かれる。当初、マイケルのキャラクターはメイジェル・バレットが『宇宙大作戦』のパイロット版である『歪んだ楽園』(The Cage)で演じたキャラクターであるキャラクター”ナンバーワン”に敬意を表して、単にナンバーワンと呼ばれていた 。ストーリーラインの製作が進むにつれて、このキャラクターは反乱罪に問われて第一話の終りにはもう副長ではなくなった。キャラクター名はマイケル・バーナムとなり、ナンバーワンは『新スタートレック』におけるウィリアム・ライカーと同様に非公式な呼び名となった。シリーズの創作者であるブライアン・フラーは、以前の作品の経験からこのキャラクターに男性名を付けた。製作総指揮の一人であるアーロン・ハーバーツの説明によれば、主演女優の役名を男性名にするのはフラーの仕事の特徴であると言う。この名前を思いついたときは、女性コラムニストのマイケル・スニードや、バングルズのベーシストのマイケル・スティールのことを考えていた。加えて、マイケルは大天使の名前でもあることが重要であった。マーティン=グリーンはこの名前を大いに気に入り、その象徴するところや、男性名が未来の同性間の平等を意味するところが気に入ったと語る。フラーはマイケル・バーナムのキャラクターの発想源として、ウフーラを演じたニシェル・ニコルズの文化的な影響を挙げる。宇宙大作戦のブリッジに立つニコルズを見て、どれだけ多くの黒人が影響を受けたか考えられずにはいられない。ルイジアナ州で初めて、白人だけの小学校に通うことになったRuby Bridges、最初の黒人女性飛行士であるメイ・ジェミソンもまた発想の源となった。マーティン=グリーンは、マイケルがバルカンの科学アカデミーに通った唯一の地球人というだけではなく、良い成績をおさめており、マイケルの優れた知性を証明していると語る。高度な訓練と道義性を身に着け、内面に抱えるバルカン人と地球人の二面性は、彼女の個性を象徴している。
2003年にプロ転向し、2005年までの間はネイションワイドツアーに参加した。2005年のネイションワイドツアー賞金ランキングで21位になり、2006年からのPGAツアー出場権を獲得。ルーキーイヤーの獲得賞金総額は1,019,264ドルで賞金ランキングでは90位であったが、ドライバーの平均飛距離は319.6ヤードでトップであった。なお、ワトソンのPGAツアーでの最長飛距離は2010年ソニー・オープンで記録した416ヤードで、プロ転向後ではネイションワイドツアー時に422ヤードの記録がある。2007年、オークモントカントリークラブで開催された全米オープンでは初日70打、2日目71打と好スタートを切ったが、首位と1打差、最終組でスタートした3日目と最終日4日目は74打とスコアを伸ばせず、最終順位は5位タイであった。2010年6月、コネチカット州クロムウェルで開催されたトラベラーズ選手権でPGAツアーでの初勝利を飾った。コーリー・ペイビン、スコット・バープランクとのプレーオフを制したワトソンは、勝利した後妻アンジーと抱き合い涙を流して喜んだ。2010年8月にウィスリングストレイツで開催された全米プロゴルフ選手権では、マルティン・カイマーにプレーオフの末敗れ、初メジャータイトルを逃した。なお同選手権では、最終ホールまで2位以下に1打差をつけて単独首位であったダスティン・ジョンソンが最終ホールにおいてバンカーでソール（クラブを地面に付けること）してペナルティを受け、優勝はおろかプレーオフ進出を逃す出来事があった。3ホール制のプレーオフで1ホール目はワトソンが、2ホール目はカイマーがバーディーで勝つイーブンの状態であったが、迎えた3ホール目でのワトソンの第2打がウォーター・ハザードに入り、結果カイマーがメジャー初勝利をあげた。2011年1月30日、ワトソンはファーマーズ・インシュランス・オープンでフィル・ミケルソンに競り勝ち、PGA通算2勝目をあげた。また2011年5月1日のチューリッヒ・クラシック・オブ・ニューオリンズでは2011年シーズンの2勝目、PGA通算では3勝目となる勝利をあげた。このプレーオフでは、1ホール目は両者ともバーディーであったが、2ホール目にもバーディーを決めたワトソンがウェブ・シンプソンに競り勝った。2011年7月、スポンサーとの契約の関係で出場したアルストム・オープン・ド・フランスでは、第1ラウンドの後欧州ツアーではもうプレイしないと示唆した上、第2ラウンド後に大会の警備や運営体制に不満をもらしたことで批判を浴びた。なお2011年1月のヒュンダイ・トーナメント・オブ・チャンピオンズでチャリティとして開催されたロング・ドライブ・コンテストに、ダスティン・ジョンソンやロバート・ガリガスらと共に参加している。結果は400ヤード以上飛ばしたジェイミー・サドルフスキーに次いで370ヤードを記録し、2位であった。2012年、マスターズ・トーナメントにて、初日から69、71、70、68のスコア278（-10）で回ってルイ・ウェストヘーゼンとのプレーオフとなり、2ホール目でウェストヘーゼンを退け、ツアー4勝目をメジャートーナメント初優勝で飾った。2014年4月13日、マスターズで最終日首位タイスタートして、5バーディ、2ボギーの69で廻り、通算8アンダーで2位グループに3打差をつけて2年ぶり2回目のマスターズ優勝を果たした。「１度目はラッキーで勝てたが、今回はしっかりと準備をした結果、勝つことができた。2度もグリーンジャケットを着られて本当に幸せに思う」とコメント。2018年2月19日、米国男子ツアー「ジェネシス・オープン（旧ノーザン・トラスト・オープン）」を後続に2打差をつけて優勝、ツアー10勝目を決めた。