En août 2005 sort aux Etats-Unis le deuxième album du groupe, nommé A Beautiful Lie. Pour promouvoir l'album qui avait été piraté 5 mois avant sa sortie, le groupe y ajoutera 2 chansons bonus, "The Battle of One" et une reprise de "Hunter" de la chanteuse Björk. Contrairement au premier que Jared Leto a réalisé seul avec son frère, cet album fut écrit à quatre. Dans le livret du CD, Jared Leto remercie entre autre, Jesus, Buddha, Ron Hubbard fondateur de la scientologie.
Le 1er single issu de ce second album est Attack, chanson qui ne devait pas figurer initialement sur l'album. En 2006, le groupe démarre sa première tournée en tant que tête d'affiche. Baptisée "Forever Night, Never Day", la tournée s'étendra jusqu'en août avec de nombreuses dates se rajoutant au fur et à mesure. Au même moment sort le deuxième single, The Kill, dont le clip directement inspiré du film Shining et réalisé par Jared Leto lui-même, est nominé aux MTV Video Music Awards. En novembre 2006 sort le troisième single de l'album, From Yesterday. Le clip, véritable court-métrage à nouveau réalisé par Jared Leto, est le premier clip de musique d'un groupe de rock américain tourné entièrement en République populaire de Chine, sur le site de la Cité interdite à Pékin. Le groupe participera par la suite à l'édition 2007 de la tournée Taste of Chaos à travers tous les Etats-Unis.
Pour promouvoir le groupe en Europe, 30 Seconds to Mars fait sa première tournée européenne au début de l'année 2007, en passant par l'Allemagne, l'Angleterre, la France et les Pays-Bas. A cette occasion, l'album A Beautiful Lie bénéficie d'une nouvelle sortie officielle en Europe. Au printemps 2007, le groupe fait la première partie de quelques concerts de Linkin Park en Europe, notamment le 30 mai 2007 au Palais omnisports de Paris-Bercy, avant d'être le lendemain en tête d'affiche à l'Elysée Montmartre. Le groupe se produira ensuite dans des festivals de rock européens dont Rock am Ring et Pinkpop.
Le 4e et dernier single A Beautiful Lie, disponible depuis le 29 janvier 2008, bénéficie également d'un clip vidéo d'un genre inédit, car il a été tourné au Groënland, à 200 Kilomètres du Pôle Nord, autour d'icebergs fissurés par les effets du réchauffement climatique. Le clip sort simultanément à une nouvelle tournée européenne du groupe.
Matt Wachter, bassiste du groupe depuis 5 ans, a annoncé le 1 mars 2007 qu'il quittait le groupe pour se consacrer à sa famille. Il est remplacé par Tim Kelleher, qui l'avait déjà remplacé sur la tournée quand Matt avait fait une pause pour se marier. Matt vient d'être officialisé comme bassiste dans le groupe Angels And Airwaves. On ne sait toujours rien quant à l'officialisation de Tim Kelleher dans le groupe.