Paolo Martinelli studerte økonomi og filosofi ved Università Cattolica del Sacro Cuore i Milano (1977–1979), men sluttet seg til kapusinerordenen og avla sine midlertidige løfter den 8. september 1980. Martinelli avla de evige løfter den 23. desember 1984 og ble presteviet den 7. september 1985. Han studerte teologi ved (1980-1985) og ved Det pavelige gregorianske universitet i Roma (1988-1993), hvor han tok sin lisensiat i fundamentalteologi i 1990 og sin teologiske doktorgrad i 1993 med en avhandling på tanken om teologen Hans Urs von Balthasars tenkning. Han var gjestestudent i Münster og Freiburg im Breisgau samt i London og Oxford.