En 2022, lors des championnats du monde de Budapest, Nicolò Martinenghi remporte les titres mondiaux sur le 100 m brasse[4] (en améliorant le record d'Italie) et sur le relais 4 × 100 m quatre nages[5]. Il glane également la médaille d'argent du 50 m brasse.
Toujours en 2022, lors des championnats d'Europe organisés à Rome, il quitte la compétition avec 3 titres sur 50[6] et 100 m brasse[7] et sur le relais 4 × 100 m quatre nages ainsi qu'avec la médaille d'argent du relais 4 × 100 m quatre nages mixte.
En 2023, il ne parvient pas à conserver sa couronne mondiale du 100 m brasse face au nageur chinois Qin Haiyang et quitte les championnats du monde de Fukuoka avec la médaille d'argent de son épreuve de prédilection[8].