Jego młodszym bratem był Sebastiano Martinelli, również kardynał. W roku 1842 wstąpił do zakonu augustianów w Lucca. Ukończył augustiański dom studiów w Rzymie (magisterium w roku 1859). Święcenia kapłańskie otrzymał 22 grudnia1849. Był następnie związany z konwentem w Fermo. Od roku 1855 wykładał w Rzymie, m.in. na Uniwersytecie La Sapienca. Ponadto był sekretarzem swego zakonu (od. 1859), a także wizytował takie kraje jak Belgia, Holandia, Irlandia, Bawaria, i Bohemia wraz z superiorem generalnym augustianów w roku 1862. Od 1864 konsultor w Kongregacji Indeksu. W roku 1865 wybrany asystentem generalnym swego zakonu. W latach późniejszych związany był również z kilkoma uczelniami rzymskimi. Jako teolog brał udział w Soborze watykańskim I.
