Der Sohn von Cosma Martinelli und Maddalena Pardini trat mit 15 Jahren in Lucca in den Orden der Augustiner-Eremiten ein und legte am 19. April 1844 die zeitliche Profess ab. Sein wesentlich jüngerer Bruder Sebastiano Martinelli wurde später ebenfalls Augustinereremit, Geistlicher und Kardinal.
Am 30. März 1888 starb Kardinal Martinelli nach kurzer Krankheit in Rom im Alter von 61 Jahren. Sein Leichnam wurde in der Kirche Sant’Agostino aufgebahrt, wo am 4. April die kirchliche Begräbnisfeier stattfand. Kardinal Martinelli wurde in der Kapelle der Augustiner auf dem Friedhof Campo Verano beigesetzt.