Мартинели је потписао дугогодишњи уговор са Арсеналом 2. јула 2019. године.[3] У Премијер лиги дебитовао је 11. августа 2019. године против Њукасла.[4] Мартинели је 24. септембра постигао два гола у свом првом такмичарском старту за клуб у победи од 5:0 над Нотингем Форестом у Лига купу.[5] Већ у наредној утакмици на којој је наступао је поново постигао два поготка против Стандарда у Лиги Европе.[6] У четвртом колу Лига купа 30. октобра, Мартинели је још једном блистао у ремију од 5:5 са Ливерпулом, а такође је постигао и гол у извођењу пенала, где је Арсенал на крају изгубио.[7] Тако је постао први играч који је постигао четири гола у своја прва четири старта од Ијана Рајта.[8][9]
Дана 21. јануара 2020. године Мартинели је постигао гол у ремију од 2:2 у гостима против Челсија. Мартинели је претрчао скоро читав терен да би на крају успешно сместио лопту у мрежу Кепе Аризабалаге.[10] Навијачи клуба су касније прогласили гол за Арсеналов гол сезоне.[11] Дана 27. новембра 2021. године постигао је гол из волеја на асистенцију Такехира Томијасуа против Њукасл јунајтеда.[12] Још један леп гол из волеја постигао је у победи у гостима од 3:2 над Вотфордом. Овога пута асистент је био Александар Лаказет.[13]
Мартинели је 5. августа 2022. постигао гол за Арсенал у њиховој победи од 2:0 у гостима против Кристал Паласа, чиме је постао први Бразилац који је постигао гол на почетку сезоне у Премијер лиги.[14] Већ у наредном колу је постигао гол са дистанце против Лестера од 4:2.[15] Дана 9. октобра 2022. је у првом минуту меча са Ливерпулом постигао гол на асистенцију Мартина Едегора.[16]
