Martini syntyi Torinossa ja sai pappisvihkimyksensä 13. heinäkuuta 1952. Hän opiskeli teologiaa sekä filosofiaa ja teki akateemisen uran ennen nousemistaan arkkipiispaksi. Vuoden 2005 konklaavissa hän osallistui uuden paavin valintaan Vatikaanissa.