Z wyścigu prezydenckiego zrezygnował wówczas Juan Carlos Varela z Partido Panameñista, udzielając poparcia Martinelliemu i zostając kandydatem na urząd wiceprezydenta u jego boku„Martinelli seeks to defeat Herrera”, Angus reid Global Monitor..
W czasie swej kampanii wyborczej, na którą z własnych środków wydał 35 mln USD, obiecywał walkę z korupcją polityczną i przestępczością zorganizowaną. Jego hasło wyborcze brzmiało: „Prawdziwe zmiany”„Właściciel sieci supermarketów wygrał wybory prezydenckie”, gazeta.pl, 4 maja 2009.. W ostatnich sondażach przewdyborczych był zdecydowanym faworytem wyborów.
W wyborach prezydenckich 3 maja 2009 Martinelli pokonał kandydatkę rządzącej, lewicowej Rewolucyjnej Partii Demokratycznej (PRD), Balbinę Herrerę, zdobywając niecałe 61% głosów poparacia„Opposition candidate wins Panama presidential elections”, People’s Daily Online, 4 maja 2009.. W swoim zwycięskim przemówieniu zapowiedział „zmianę kraju, tak by dysponował dobrym systemem opieki zdrowotnej, dobrą edukacją, dobrym systemem transportowym oraz dobrym systemem bezpieczeństwa”. Stwierdził, iż nie można kontynuować sytuacji, że 40% Panamczyków żyje w biedzie.