Mary Martin przez całe życie była obiektem plotek dotyczących jej biseksualności lub homoseksualizmu, a w kuluarach Hollywood i Broadwayu powszechnie uznawano ją za osobę ukrywającą swoją prawdziwą orientację. Żyjąc w czasach, w których ujawnienie się oznaczało natychmiastowy koniec kariery, aktorka funkcjonowała w tzw. lawendowych małżeństwach, związkach aranżowanych dla zachowania pozorów. Jej drugim mężem był Richard Halliday, powszechnie uważany za homoseksualistę, z którym tworzyła bardzo zgrany duet biznesowo-towarzyski. Najgłośniejsze i najlepiej udokumentowane relacje romantyczne łączyły ją z dwoma wielkimi gwiazdami kina. Najgłębszy i najdłuższy związek, opisywany przez biografów jako wielki romans, łączył Mary Martin z Janet Gaynor — pierwszą w historii laureatką Oscara dla najlepszej aktorki. W latach 50. i 60. obie aktorki wraz ze swoimi mężami, którzy również byli gejami, kupiły sąsiadujące ze sobą rancza w stanie Goiás w Brazylii, gdzie spędzały razem mnóstwo czasu z dala od wścibskich amerykańskich mediów. O sile ich więzi świadczy też fakt, że w 1982 roku obie kobiety podróżowały razem taksówką w San Francisco, która uległa potwornemu wypadkowi. Mary Martin odniosła lżejsze obrażenia, natomiast Janet Gaynor została ciężko ranna i zmarła dwa lata później w wyniku powikłań powypadkowych. Drugą kobietą, z którą mocno łączono Mary Martin, była gwiazda filmowa Jean Arthur. Ich domniemany romans stał się tak głośny, że w 1966 roku pisarz Paul Rosner wydał powieść The Princess and the Goblin. Książka ta była powszechnie odbierana jako roman à clef, powieść z kluczem, która pod zmienionymi imionami bohaterek bezbłędnie opisywała intymną i skomplikowaną relację łączącą Martin i Arthur. W wydanej w 2016 roku głośnej biografii aktorki pt. „Some Enchanted Evenings: The Glittering Life and Times of Mary Martin” autor David Kaufman potwierdził, że Mary Martin należała do elitarnego, ukrytego kręgu lesbijek i biseksualistek tworzących ówczesną kulturę Hollywood. Choć sama aktorka nigdy publicznie nie dokonała coming outu i w swojej autobiografii grała rolę idealnej żony, Kaufman ujawnił m.in., że jedną z nielicznych książek, jakie namiętnie czytała w młodości, był kultowy dla społeczności LGBT klasyk The Well of Loneliness