Comincia a lavorare in giovanissima età prima in un’oreficeria della sua città natale e poi in una fabbrica di ceramiche nel 1902; nel 1907 si iscrive alla Scuola libera del Nudo dell’Accademia di Belle Arti di Venezia e frequenta lo studio di Urbano Nono. Nel 1909 si reca in Germania a Monaco dove studia i gessi di artisti del Rinascimento italiano. Nel 1911 allestisce alla Ca’ Pesaro di Venezia la sua prima personale prevalentemente grafica, in cui appare evidente l’assimilazione dei modi del simbolismo secessionista europeo, mentre l’anno seguente compie un viaggio a Parigi ed espone al Salon d’Automne insieme a Gino Rossi, Amedeo Modigliani, Giorgio De Chirico e Libero Andreotti. Del 1913 è il primo soggiorno a Roma dove l’anno successivo partecipa alla III Esposizione Internazionale d’Arte della "Secessione". Nel 1916 viene richiamato in guerra. Nel 1921 entra nel gruppo di "Valori Plastici" con contributi assai personali e alla fine dello stesso anno è a Roma dove ha per poco tempo uno studio a Villa Strohl-Fern. Tra il 1921 e il 1924 alterna soggiorni a Roma e Vado Ligure dove nel 1923 vince il concorso per il Monumento ai caduti realizzato l’anno successivo. Nel 1924 segue ad Anticoli Corrado lo scultore e pittore americano Maurice Sterne, accettando di collaborare con lui nella realizzazione prima di una statua Risveglio esposta alla III Biennale Romana del 1925 e poi del Monumento al pioniere destinato ad una città del Massachusetts, di cui Martini realizza il bozzetto e Sterne lo firma; continua a lavorare ad Anticoli preparando un ciclo di bassorilievi in gesso, articolati in otto formelle titolato Storia d’amore per la Biennale Romana del 1925 dove gli viene riservata una sala personale. Nel 1926 anno in cui partecipa alla I Mostra del Novecento italiano a Milano, realizza ad Anticoli la fontana ARCA DI NOE’, modellata al negativo in creta e gettata in cemento, collocata al centro di Piazza delle Ville.

Nel 1928 mentre è ancora impiegato alla realizzazione del monumento di Sterne, partecipa alla Biennale di Venezia. Nel 1929 partecipa alla II Mostra del Novecento Italiano a Milano, dove espone il bronzo Il figliol prodigo del 1926. A questo periodo appartengono le opere più celebri realizzate da Martini tra cui La Pisana 1928-30 in cui si manifesta l’unione tra antico e moderno, l’incontro fra tradizione e attualità propri della produzione degli anni dal 1930 al 34. Nel 1931 ottiene il primo premio per la scultura alla I Quadriennale di Roma dove espone sette grandi sculture.   Martini riuscì a reggere con coerenza di stile l’impegno monumentale: nel 1935 esegue la statua di Athena per il piazzale dell’Università di Roma.

Alla fine del 1939 comincia a dipingere come per reagire alla scultura monumentale di cui è stanco e scontento. Questa crisi si approfondisce fino a sfociare nel breve scritto " La scultura lingua morta" pubblicato nel 1945, in cui Martini esprimerà la propria rinuncia, non alla scultura, ma alla statuaria intesa nel senso monumentale del termine.

Nel 1942 comincia ad insegnare all’Accademia di Belle Arti di Venezia dove rimarrà fino al 1945, ma in questo periodo si dedica più alla pittura e al disegno che alla scultura.