Era il terzo dei quattro figli di Antonio, cuoco, e Maria Della Valle, cameriera originaria di Brisighella; i caratteri diametralmente opposti dei genitori, l'uno taciturno e tenace, l'altra passionale e fantasiosa, segnarono profondamente la formazione dell'artista. La famiglia era molto povera e, per non pagare l'affitto, viveva nelle torri medievali di Treviso, ambienti suggestivi che Martini serbò nel proprio universo figurativo. Dopo essersi formato a Treviso e Venezia come orafo e ceramista (collaborò in particolare con la Fornace Guerra Gregorj), ebbe contatti con la cultura europea (studiò per qualche anno a Monaco e fu a Parigi nel 1911), ma restò sempre legato a forme di espressione tradizionali. Nel 1914 fa parte della Secessione Romana ed espone alla Mostra Futurista. Negli stessi anni collabora con L'Eroica, innovativa rivista di xilografia. Negli anni venti, aderendo a Valori plastici, superò il naturalismo ottocentesco riscoprendo e facendo rivivere la solenne umanità della nostra scultura antica. Nonostante le sue indubbie capacità, stentò a essere riconosciuto per il suo valore e dovette sopportare severe difficoltà economiche. Fece parte del gruppo di artisti di Ca' Pesaro. Nel 1925 è invitato ad esporre con una sala alla III Biennale Romana; nel 1926 partecipa per la prima volta alla Biennale di Venezia, dopo i precedenti ripetuti rifiuti. Nello stesso anno espone alla prima mostra di Novecento ed esporrà anche nella seconda edizione del 1929. Nel 1929 viene chiamato alla cattedra di Plastica decorativa all'ISIA di Monza e vi rimane fino all'anno successivo: la sua Leda col cigno, scultura in gesso, è rimasta ad arricchire la raccolta dei Musei Civici monzesi. Nel 1931 riceve il premio per la scultura alla I Quadriennale di Roma; nel 1932 ha una sala personale alla Biennale veneziana. Dal 1937 al 1939 è impegnato in importanti commissioni pubbliche a Milano. Nel 1941 presenta a Milano alla galleria Barbaroux la sua prima mostra di dipinti. Nel 1942 è chiamato ad insegnare all'Accademia di Venezia. Martini è stato un artista ricchissimo, che si è espresso con altrettanto vigore nel legno e nella pietra, nella creta e nel bronzo. In opere come Il bevitore (1926), La pisana (scultura) (1930), La sete (1934) e soprattutto la Donna che nuota sott'acqua (1942) procedette verso una sempre maggiore libertà espressiva, conscio che la statuaria aveva fatto il suo tempo e che la cultura se vuol vivere, deve morire nell'astrazione. Così scrisse in Scultura lingua morta (1945), avvertendo il limite e la crisi della propria arte. Forse avrebbe potuto superare quel limite se fosse stato più libero di approfondire il proprio linguaggio artistico, ma tra le due guerre, divenuto lo scultore ufficiale del regime fascista, era letteralmente travolto dagli impegni: grandi opere celebrative e monumentali per palazzi di Giustizia, chiese ed università. Come ad esempio il grande bronzo all'Università La Sapienza di Roma. Le invidie per il suo successo, e le ingiuste accuse gli resero amari gli anni nell'immediato dopoguerra e la fine che lo colse nel 1947. Ma già nel 1948, gli viene tributato un omaggio postumo alla V Quadriennale di Roma. Durante la sua permanenza nella capitale, per allontanarsi dalla vita caotica preferisce fermarsi ad abitare nel comune di Anticoli Corrado, ove realizza la bellissima e storica fontana intitolata a suo nome posta al centro della Piazza delle Ville. Dai suoi insegnamenti parte la creatività di tanti suoi alunni, tra i quali Maria Lai da Ulassai, che ha fondato tutto il suo percorso sull'idea di ritmo impartita dal maestro, "un'opera d'arte è tale quando restituisce un respiro, un pieno dato dal vuoto che suggerisce". Nel 1967 la grande mostra monografica dedicata allo scultore, allestita su progetto di Carlo Scarpa nel Convento di Santa Maria a Treviso, spronò l'amministrazione ad acquisire il Complesso di Santa Caterina, oggi sede principale dei Musei civici di Treviso. A lui sono dedicati numerose scuole italiane, tra cui la scuola media statale di Santa Maria del Rovere a Treviso e il liceo artistico di Savona.