Kesuksesan awal Puth datang melalui keberhasilan viral dari video lagunya yang diunggah ke YouTube. Setelah sukses "See You Again", dia kemudian mendapatkan perhatian yang lebih luas untuk beberapa single yang rilis berikutnya, termasuk single debutnya "Marvin Gaye", yang dia nyanyikan bersama Meghan Trainor. Lagu ini memuncaki tangga lagu di Selandia Baru, Irlandia, dan Britania Raya.
Pada tanggal 21 April 2017, Puth merilis single utama, "Attention", dari album studio keduanya, Voicenotes, yang rilis pada tanggal 11 Mei 2018. Single kedua dari Voicenotes, "How Long", dirilis pada tanggal 5 Oktober 2017. Puth juga berkolaborasi dengan anggota One Direction Liam Payne di single "Bedroom Floor", yang dia ikut produseri dan ikut menyumbangkan vokal latar. Pada tahun 2018, dia menjadi fitur di single G-Eazy berjudul "Sober".
Pada tanggal 4 Januari 2018, Puth merilis single promosi pertama "If You Leave Me Now" yang fitur bersama Boyz II Men. Puth menyatakan dalam sebuah cuitannya bahwa dia akan menunda tanggal rilis albumnya menjadi tanggal 11 Mei 2018, dari tanggal awalnya pada tanggal 19 Januari 2018. Puth mengadakan Voicenotes Tour pada tahun 2018, bersama Hailee Steinfeld sebagai tamu di tanggal terpilih.
Pada tanggal 15 Maret 2018, "Done for Me" dirilis sebagai single ketiga dari Voicenotes. Lagu ini fitur dengan penyanyi Kehlani. Pada tanggal 25 Maret 2018, Puth merilis single keempat "Change" bersama James Taylor. Sehari sebelumnya, Puth menyanyikan lagu itu di acara March for Our Lives di Los Angeles. Album ini juga menghasilkan lagu "The Way I Am" dan "Patient".