Seinen ersten Musikunterricht erhielt er durch seinen Vater einem Violinisten, später lehrte ihn Padre Pradieri das Cembalospiel und Kontrapunktik lernte er bei Giovanni Antonio Riccieri .

1722 trat er in den Minoritenorden ein. 1725 wurde er Kapellmeister der Franzikanerkirche in Bologna, wo er mit seinen Kompositionen die Aufmerksamkeit auf sich zog. Als Lehrer bevorzugte er die alte römische Kompositions-Tradition. Er war ein bedeutender Musiktheoretiker, der eine Bibliothek von rund 15 Tausend Bänden besaß. Auf einer seiner Italienreisen machte Leopold Mozart mit seinem Sohn Wolfgang in Bologna Station, um dessen Kunst dem Padre Martini vorzustellen. Auch andere Komponisten suchten Martinis Rat, wie Johann Christian Bach, Christoph Willibald Gluck, Niccolo Jommelli, André Grétry und weitere.

Martini schuf zahlreiche kirchliche Kompositionen, die meisten blieben ungedruckt. Das "Liceo" in Bologna besitzt mehrere Manuskripte, zwei Oratorien, ein Requiem, die "Litaniae atque antlphonae finales B. V. Mariae" von 1734, Kantaten und Arien, zwölf "Sonate d'intavolalura, sechs Sonaten für Cembalo und Duetti da camera. Sonaten für Flöte und Generalbass, Konzerte für Flöte und Orchester. 1744 komponierte er eine Oper "L'Impresario delle canarie".Sein bedeutungsvollstes Erbe sind die theoretischen Werke.
-Storia delia musica (Bologna, 1757-1781)
-Saggio dl contrapunto (Bologna, 1774-1775)