Papst Leo XIII. kreierte ihn im Jahre 1901 zum Kardinal und ernannte ihn 1902 zum Kardinalpriester von "Sant’Agostino". 1903 nahm er am Konklave teil, das Papst Pius X. wählte. Von 1909 bis 1918 war Martinelli Präfekt der Ritenkongregation. Am Konklave von 1914 konnte er nicht teilnehmen, da er erkrankt war.