13 lipca 1952 przyjął święcenia kapłańskie. Przez wiele lat pozostawał związany z Papieskim Instytutem Biblijnym, wykładał tam oraz był dziekanem i rektorem (1969). W 1978 pełnił funkcję rektora Papieskiego Uniwersytetu Gregoriańskiego. Wieczyste śluby zakonne złożył 2 lutego 1962. Profesor Wydziału Teologicznego w Chieri, był jedynym reprezentantem katolicyzmu w Komitecie Ekumenicznym pracującym nad grecką edycją Nowego Testamentu. W 1978 głosił rekolekcje wielkopostne w Watykanie.
29 grudnia 1979 został mianowany arcybiskupem Mediolanu, a 6 stycznia 1980 przyjął w Watykanie sakrę biskupią z rąk papieża Jana Pawła II. Ten sam papież wyniósł go do godności kardynalskiej 2 lutego 1983, nadając tytuł prezbitera S. Cecilia. Kardynał Martini wielokrotnie brał udział w sesjach Światowego Synodu Biskupów, od 1980 wchodząc w skład sekretariatu generalnego Synodu. Wziął również udział w IV Konferencji Generalnej Episkopatów Latynoamerykańskich w Santo Domingo (Dominikana, 1992). W latach 1987–1993 pełnił funkcję przewodniczącego Rady Konferencji Episkopatów Europy. Był specjalnym wysłannikiem papieża Jana Pawła II na obchody 100-lecia ewangelizacji Zambii (1991) oraz 900-lecia śmierci (2001) św. Brunona – założyciela zakonu kartuzów.