Entrò giovanissimo nel mondo del cinema, lavorando come operatore in parecchi film «muti». Nel decennio 1930-40 divenne uno dei direttori di fotografia italiani più attivi e conosciuti, dimostrando di possedere non solo una valida preparazione tecnica ma anche un gusto artistico personale e ben definito. Negli anni del dopoguerra collaborò alla realizzazione dei più importanti film di quel periodo, alcuni dei quali possono essere considerati veri e propri capolavori, con sequenze da antologia del cinema, quali Paisà(1947, Roberto Rossellini), in cui i drammi della guerra e dell'immediato dopoguerra erano tragicamente evidenziati da una rappresentazione fotografica caratterizzata da uno scarno "bianco e nero", aderentissimo alla realtà degli accadimenti; Caccia tragica(1948, Giuseppe De Santis), in cui le scene girate "in esterno" si aprivano su ampi spazi dall'intenso contrasto coloristico; Stromboli, terra di Dio (1951, Roberto Rossellini), che univa le sue ricche suggestioni documentaristiche alla dolorosa maturazione di un dramma individuale di solitudine e di angoscia esistenziale, magistralmente interpretato da Ingrid Bergman. Oltre che con Roberto Rossellini e Giuseppe De Santis, Martelli collaborò con altri registi di fama mondiale, primo fra tutti Federico Fellini, con cui realizzò, tra l'altro, I vitelloni (1953), La strada (1954) e, soprattutto, La dolce vita(1960). In ciascuno di questi film, le approfondite ricerche espressive del regista trovarono la loro più alta e completa definizione cinematografica, grazie alla fotografia realizzata in un personalissimo "bianco e nero", ricco di ben modulate suggestioni fantastiche. Operatore tecnicamente preparatissimo, ma soprattutto animato da una non comune sensibilità artistica, Martelli seppe conferire originalità e valore poetico alla migliore produzione cinematografica italiana del trentennio 1930-1960: molte delle opere più significative di questi anni portano la ben riconoscibile impronta della sua personalissima creatività e gli sono debitrici non soltanto del successo di pubblico e di critica, ma soprattutto del loro intramontabile valore estetico.