1927년 이탈리아 토리노에서 출생했다. 1944년 예수회에 입회하여 1952년 사제품을 받았다. 1958년 교황청립 그레고리오 대학교에서 신학 박사 학위를, 1965년 교황청 성서연구소에서 성서학 박사 학위를 취득하였다. 1968년부터 1978년까지 성서대학원 학장 및 교황청립 그레고리오 대학교 학장을 역임한 후 1979년 요한 바오로 2세 성인 교황에 의해 이탈리아 밀라노 대주교로 임명되었으며, 1983년에는 추기경으로 추대되었다. 가톨릭 신자는 물론 비신자까지 많은 이들이 그의 가르침에 귀를 기울였다.

2002년 은퇴 후에는 예루살렘에 머물며 소망하였던 성경 연구와 기도 생활에 전념하였다. 그는 종교 간 대화를 추진하였고, 높이 평가받는 저서들을 남겼다.

건강상의 이유로 이탈리아로 돌아왔지만 병중에도 통찰과 명료함으로 많은 이들의 양심을 뒤흔들었다. 마르티니 추기경은 2012년 8월 31일에 선종하였는데, 이틀 사이에 15만 명 이상이 조문했다.