Trzy miesiące później podczas igrzysk olimpijskich w Tokio w półfinale 100 m stylem klasycznym ustanowił nowy rekord swojego kraju (58,28), a w finale tej konkurencji zdobył brązowy medal, uzyskawszy czas 58,33. W męskiej sztafecie 4 × 100 m stylem zmiennym wraz z Thomasem Cecconem, Federico Burdisso i Alessandro Miressim wywalczył brąz. Martinenghi płynął też w sztafecie mieszanej 4 × 100 m stylem zmiennym, która zajęła czwarte miejsce.