Etter avsluttet høyere skoleutdannelse i Trient i 1631, trådte Martini inn i jesuittordenens østerrikske provins den 8. oktober 1932. Jesuittene sendte ham for studier i klassisk litteratur og filosofi i Roma ved . Hans hovedinteresse var imidlertid matematikk og astronomi, som han studerte under pater Athanasius Kircher. Han søkte om å bli sendt som misjonær til Kina, og den daværende jesuittgeneral, Mutius Vitelleschi, innvilget det. Han gjennomførte sine teologiske studier i Portugal (1637–39), og ble presteviet i 1639 i Lisboa.