Martinelli mintegy 50 éven át tartó pályafutása során több mint 40 filmben, valamint számos tévéfilmben, -sorozatban szerepelt. Karrierjét modellként kezdte, első szerepét a Claude Autant-Lara rendezte, 1954-ben bemutatott Vörös és fekete című filmjében játszotta. A hírnevet az 1955-ös Az indián harcos című film hozta meg számára, amelyben Kirk Douglas partnere volt.
1956-ban a Berlini Nemzetközi Filmfesztiválon megkapta a legjobb női főszereplőnek járó Ezüst medve-díjat a Donatella című film címszerepéért.
Híres filmjei között van az Orson Welles rendezte A per (1962), az 1967-ben bemutatott A nő hétszer, és a Ha kedd van, akkor ez Belgium. Utolsó szerepét 2005-ben egy olasz filmsorozatban az Orgoglióban (Büszkeség) alakította.
