Se dio a conocer como vocalista de La Oreja de Van Gogh en diciembre de 1996. El 19 de noviembre de 2007 anunció su retirada del grupo, comenzando una nueva etapa para componer e interpretar en solitario. Desde el inicio de su carrera a finales de los 90 ha vendido más de 7.000.000 de copias.
Amaia se unió a La Oreja de Van Gogh en 1996 luego de que el guitarrista Pablo Benegas la escuchara cantar el tema Nothing Compares 2 U, de Sinéad O'Connor, en una fiesta. Benegas la invitó hacer una prueba con su grupo, formado hasta aquel entonces por él, el bajista Álvaro Fuentes, el teclista Xabi San Martín y el baterista Haritz Garde. Con la incorporación de Amaia, la formación hasta entonces denominada informalmente Los Sin Nombre pasó a llamarse La Oreja de Van Gogh. Desde ese momento, surgieron todas las composiciones del grupo, ya que antes sólo habían hecho versiones de otros artistas.

El 28 de abril de 2003 lanza su tercer álbum, Lo que te conté mientras te hacías la dormida, el cual tuvo también excelentes ventas y por el que consiguieron varios reconocimientos, entre ellos una nominación a los Premios Grammy al Mejor Álbum Pop Latino. En 2006, editaron su cuarto disco, Guapa, que se convertiría en su último con el grupo. También fue lanzada la caja especial LOVG 1996-2006, en conmemoración de los diez años de la banda.
Del 2007 a la actualidad: carrera en solitario
Amaia Montero en el 2009.
El álbum fue lanzado a la venta el 18 de noviembre de 2008 y alcanzó el número uno en España, tras vender más de 40.000 copias en su primera semana,[4] obteniendo así el Disco de Oro de la lista Promusicae.[5] El primer sencillo del álbum, Quiero ser, alcanzó el primer lugar en las radios españolas, y permaneció por trece semanas en dicha posición.[6] El segundo sencillo fue Ni puedo ni quiero, que se estrenó como corte de difusión en Latinoamérica. El tercero fue 4", y aunque su correspondiente videoclip iba a estrenarse en enero, por retrasos en su producción fue postergado hasta abril. El cuarto sencillo es Te voy a decir una cosa, y su video se estrenó el 15 de septiembre. Finalmente, el álbum alcanzó el triple platino en España y disco de oro en Venezuela y Argentina respectivamente. Además su primer single Quiero ser llegó al disco de platino en descargas digitales y tonos originales para teléfonos móviles.[7]
En la última parte de 2009 Amaia Montero graba una versión en italiano de su álbum. Esta versión del álbum tenía que ser lanzada en Italia al principio de 2010, pero por razones de oportunidad debidas a la situación del mercado discográfico italiano, la discográfica Sony aplazó el lanzamiento de dicho álbum a una fecha que se establecerá. Una de las canciones que se grabaron en italiano fue la versión en este idioma de la canción 407, en dueto con Tiziano Ferro.
En la actualidad, se encuentra componiendo su segundo disco de estudio en solitario tras el rotundo éxito del primero, del que se han vendido alrededor de medio millón de copias en España y América