Martha Stettler stammte aus einer Berner Architektenfamilie. Von 1886 bis 1891 besuchte sie die Kunstschule in Bern und lernte dort ihre spätere Lebenspartnerin Alice Dannenberg kennen. 1893 zogen sie gemeinsam nach Paris, wo Stettler an der Académie Julian und im privaten Atelier von Luc-Olivier Merson studierte. Zu ihrem Freundeskreis gehörte auch Ottilie W. Roederstein. Ab 1898 bildete sich Stettler bei dem Maler Lucien Simon weiter. Sie war um 1902 Mitbegründerin der Académie de la Grande Chaumière in Paris. Seit 1896 war sie regelmäßig in Ausstellungen in Frankreich, in der Schweiz und in Deutschland vertreten. 1910 erhielt sie eine Medaille auf der Weltausstellung in Brüssel und 1913 eine Goldmedaille auf der Internationalen Kunstausstellung im Münchner Glaspalast. Stettler war Mitglied in den großen französischen Künstlervereinigungen: der Société des Artistes indépendants (1905), der Société du Salon d’Automne (sociétaire, 1908), der Société nationale des Beaux-Arts (associée, 1912). Bereits zu Lebzeiten erfolgten Ankäufe ihrer Werke durch den schweizerischen und den französischen Staat. Stettler engagierte sich in der Union internationale des femmes artistes, in der Gesellschaft schweizerischer Malerinnen, Bildhauerinnen und Kunstgewerblerinnen und in der Vereinigung bildender Künstlerinnen Österreichs.1917 wurde sie als erste Frau Teil der Jury der XIII. Nationalen Kunstausstellung der Schweiz.
Von 1909 bis 1944 leitete sie gemeinsam mit ihrer Partnerin Dannenberg die Académie de la Grande Chaumière.