Våren 1966 ble han invitert til å være med i en gruppe som senere ble til Buffalo Springfield. Martin ble i denne gruppen til den skilte lag i mai 1968. Etter noen forsøk med New Buffalo Springfield (senere forkortet til New Buffalo) med stadig skiftende besetning, gikk han over til å kalle gruppen Blue Mountain Eagle. Senere ga han ut et album med Dewey Martin and Medicine Ball i april 1970. Bruce Palmer deltok under innspillingen av Dewey Martin & Medicine Ball. Til tross for gode mottakelser, mistet de platekontrakten og Martin forlot musikkbransjen for å bli bilmekaniker mot slutten av 1970-årene. På midten av 1980-årene var han med i Pink Slip (sammen med tidligere Byrds bassist John York, senere the Roberts-Meisner Band og til slutt i Bruce Palmers Buffalo Springfield Revisited, før han til slutt trakk seg tilbake. I 1991 dannet han Buffalo Springfield Again sammen med gitarist Billy Darnell, men gruppen gikk i oppløsning. I 1997 ble Dewey Martin sammen med Buffalo Springfield tatt inn i Rock and Roll Hall of Fame.