1944 m. įstojo į Jėzuitus ir 1952 m. buvo įšventintas į kunigus.
Iš kitų RKB kardinolų Carlo Maria išsiskyrė savo liberaliomis pažiūromis[1][2], pasisakydamas už prezervatyvų naudojimą kovojant prieš AIDS, celibato panaikinimą, moterų šventinimą į diakones, vienalyčių sąjungų įteisinimą. Taip pat jis siekė modernizuoti Katalikų Bažnyčią sušaukiant Trečiąjį Vatikano susirinkimą.[3]
Laikytas galimu kandidatu į popiežius sušaukiant konklavą 2005 m. rinkti naują popiežių po Jono Pauliaus II mirties.
Daug dėmesio sulaukė ir buvusio kardinolo paskutinis interviu, išspausdintas Corriere della Sera praėjus kelioms valandoms po Martini mirties, kuriame Martini kalba būtinybę reformuoti Katalikų bažnyčią, nes ši „yra atgyvenusi 200 metų“.[4]
