Martinelli arbeitete zunächst als Verkäuferin und Bardame. Sie wurde 1953 von dem italienischen Designer Roberto Capucci entdeckt und wirkte dann als Fotomodell und Mannequin. Kirk Douglas brachte sie schließlich zum Film. 1954 spielte sie in "Zwischen zwei Feuern" "(The Indian Fighter)". Bei den Internationalen Filmfestspielen Berlin erhielt sie 1956 den Darstellerpreis für Donatella in "Junge Liebe in Rom". Eine ihrer bekanntesten Rollen spielte sie 1962 an der Seite von John Wayne und Hardy Krüger in dem Abenteuerfilm "Hatari!". Weitere markante Auftritte in den 1960er Jahren hatte sie in Melville Shavelsons Filmkomödie "Es begann in Rom" neben Charlton Heston, in der Kafka-Verfilmung "Der Prozeß" von Regisseur Orson Welles neben Weltstars wie Anthony Perkins, Jeanne Moreau oder Romy Schneider, in dem prominent besetzten Filmdrama "Hotel International" unter der Regie von Anthony Asquith an der Seite von Elizabeth Taylor, Richard Burton und Rod Taylor, in dem Abenteuerfilm "Im Reich des Kublai Khan", in dem sie neben Schauspielern wie Horst Buchholz und Anthony Quinn agierte, in Elio Petris Agentendrama "Das zehnte Opfer" nach einer Vorlage des SF-Schriftstellers Robert Sheckley als Gegenspielerin von Marcello Mastroianni und Ursula Andress oder in den beiden Episodenfilmen "Das älteste Gewerbe der Welt" und "Siebenmal lockt das Weib".