Nascida em 1935 em Grosseto, no norte de Roma, sétima filha de uma família de oito irmãos, era bonita e esbelta e começou a carreira como modelo, antes de o ator americano Kirk Douglas a ter visto numa fotografia na revista Life e a ter contratado para "O Caçador de Índios" de 1955.

Desde então, trabalhou em cerca de sessenta filmes, alguns deles ao lado dos maiores nomes do cinema, de Orson Welles em "O Processo", de 1962, a Roger Vadim em "Et Mourir de Plaisir", de 1960.

Martinelli marcou o cinema de uma era pela sua beleza elegante, explorada tanto na Itália como no estrangeiro, mas também pela sua capacidade de dar vida a personagens complexas em produções mais ambiciosas.

Em 1957, casou-se com o conde Franco Mancinelli, com quem teve uma filha, antes de se divorciar e se casar em 1968 com o fotógrafo Willy Rizzo.