Unter Papst Innozenz XI. war er Sekretär der Congregazione dell'Immunità ecclesiastica und ab 27. Juli 1691 der Sacra consulta. Am 21. Juli 1698 wurde er zum Titularpatriarchen von Jerusalem befördert. Am 17. Mai 1706 wurde er dann zum Kardinalpriester im Konsistorium mit der Titelkirche Sant’Eusebio ernannt. Einige Jahre später ging er wegen seines Gichtleidens in den Ruhestand.
Kardinal Martelli starb in seinem römischen Palast in der Nähe von Sant’Agostino und wurde dort begraben, bevor er von seiner Familie in die Familienkapelle in Florenz, in der Kirche Santi Michele e Gaetano, verlegt wurde.