В 1954 году Кирк Дуглас заметил фотографию Мартинелли на обложке журнала и пригласил начинающую актрису на роль индианки в вестерн «Индейский воин», производством которого занималась основанная им студия Bryna Productions. Дуглас хотел, чтобы Мартинелли исполнила главную женскую роль в фильме «Спартак», однако из-за беременности актрисы она вынуждена была отказаться от съёмок и расторгнуть контракт с продюсерской компанией Дугласа. В 1956 году Мартинелли была удостоена награды «Серебряный медведь» на 6-м Берлинском международном кинофестивале за лучшую женскую роль в комедии Марио Моничелли «Донателла». Известный режиссёр Витторио Де Сика называл Мартинелли самой стильной женщиной в мире и говорил, что «она выглядит так, будто её создал художник».