Éxito comercial y Doo-Wops & Hooligans

Antes de convertirse en un artista solista, fue un reconocido productor musical, escribiendo canciones para Flo Rida, Alexandra Burke, Travis McCoy, Adam Levine, Brandy, Sean Kingston y también co-escribió la canción de Sugababes, "Get Sexy" y los coros de su álbum Sweet 7. Su primera aparición musical como cantante fue en el álbum de estudio Animal de Far East Movement, apareciendo en la canción "3D", producido por The Stereotypes. Llegó a la prominencia como un artista en solitario con su participación en las canciones "Nothin' on You" con B.o.B, y "Billionaire" con Travie McCoy; ambas canciones alcanzaron su punto máximo dentro de los diez primeros puestos de las listas mundiales. Después de este éxito, Mars hizo su debut en un EP, titulado It's Better If You Don't Understand y lanzado el 11 de mayo de 2010. El EP alcanzó su punto máximo en la posición 99 en el Billboard 200 y lanzó como sencillo "The Other Side", con la colaboración de los raperos Cee Lo Green y B.o.B. Colaborando una vez más con Green en agosto de 2010 al co-escribir su sencillo "Fuck You!". Realizó un popurrí de "Nothin' on You" y "Airplanes" con B.o.B y Hayley Williams en los premios MTV Video Music Awards 2010 el 12 de septiembre de 2010.
El álbum debut de Mars "Doo-Wops & Hooligans" fue lanzado digitalmente el 4 de octubre de 2010 y en forma física el 5 de octubre de 2010. El primer sencillo, "Just the Way You Are", fue lanzado el 19 de julio de 2010, y ha llegado a la posición número 1 del Billboard Hot 100. El video musical fue lanzado el 8 de septiembre de 2010. Dos canciones del álbum, "Liquor Store Blues" con Damian Marley y "Grenade" fueron lanzados en iTunes Store como sencillos promocionales. La portada del álbum fue lanzada oficialmente el 30 de agosto de 2010. Abrió los conciertos de Maroon 5 en su Hands All Over Tour que comenzó el 6 de octubre de 2010. Mars también cantó con Travie McCoy en una gira europea que comenzó el 18 de octubre de 2010.
Mars colaboró en la canción "Lighters" del grupo Bad Meets Evil, formado por los raperos Eminem y Royce Da 5'9". La canción pertenece al EP Hell: The Sequel y se filtró en Internet en junio de 2011 
El 19 de septiembre de 2010, Mars fue arrestado en Las Vegas por posesión de cocaína. Al hablar con un oficial de policía, Mars habría declarado que lo que hizo fue "tonto" y que "nunca ha consumido drogas antes". Mars se declaró culpable de posesión de drogas siendo este un delito grave, los cargos se borrarán de su registro de antecedentes penales, siempre y cuando se pague una multa de 2.000$, 200 horas de servicio comunitario y complete un curso de consejería sobre drogas.