Le masque un peu froid et le visage impassible, il aborde le cinéma en 1932. Premier pas avec le mélodrame chargé de sanglots «Les deux orphelines » de Maurice Tourneur, il tient le rôle du chevalier de Vaudray, le protecteur des deux sœurs Rosine Deréan et de Renée Saint-Cyr. Sa haute prestance lui permet d’incarner un aristocrate, comme le comte Dimitri condamné à mort dans la comédie dramatique «La dernière valse» (1935). Il côtoie Marie Bell dans le drame social «Blanchette» (1936) de Pierre Caron, ne trouvant pas d'emploi, elle se prostitue à Paris, elle rencontre par hasard le jeune Galoux Jean Martinelli elle devient sa maîtresse et reprend goût à la vie . Dans «La goualeuse» (1938) de Fernand Rivers, il est le fils de Constant Remy qui s'accuse d'un homicide pour sauver son vaurien de fils, le véritable assassin mais son fils avouera son crime et pour échapper à la justice il se suicide, on découvre un film étrange, un mélange de mélodrame et de comédie où l’on peut voir chanter Lys Gauty la goualeuse.

Homme de théâtre avant tout, il revient au grand écran onze plus tard avec «Dernière heure, édition spéciale» (1949) de Maurice de Canonge, il campe un avocat qui défend Paul Meurisse un journaliste accusé à tort d'un crime. André Berthomieu lui donne le même rôle dans «Belle mentalité» (1952) celui d’un avocat parisien aux activités louches avec en vedette Jean Richard, un domestique peu stylé mais honnête qui peu à peu va s’occuper de ses affaires, Maurice Biraud et le duo Roger Pierre et Jean-Marc Thibault complètent la distribution.

Dans le mélodrame «Le rouge et le noir» (1954) de Claude Autant-Lara, il tient un rôle magistral celui du colérique M. de Rénal, l’époux délaissé de Danielle Darrieux qui, tombe sous le charme romantique d’un Julien Sorel incarné par Gérard Philipe, un arriviste qui renonce à l'armée pour l'Église mais que l'amour le mènera à la guillotine avec Antonella Lualdi et Antoine Balpêtré qui joue l'abbé Pirard. Pour Sacha Guitry il endosse l'habit royal du roi Henri IV dans sa fresque historique «Si Paris nous était conté» (1955). Il est de la distribution du film policier «La main au collet» (1955) signé du maître du suspense Alfred Hitchcock, il joue le père de Brigitte Auber avec Cary Grant et Grace Kelly les principaux protagonistes. Il campe le directeur de la Police Judiciaire de Paris qui enquête sur plusieurs affaires de meurtres qui s'avèrent très complexes dans le thriller « Police judiciaire» (1957) de Maurice de Canonge.

Il côtoie Jean Gabin dans «Le Président» (1960) de Henri Verneuil, en flashback on le découvre ministre de Gabin président du Conseil des ministres. Puis il incarne le célèbre bagnard Vidocq devenu chef de la sûreté dans «Le comte de Monte-Cristo» (1961) de Claude Autant-Lara. Dans les années 70, il se perd dans des films à tendance érotique qui ne mérite pas de s’y attarder…

Heureusement la télévision, lui apporte un second souffle avec son air impérieux, il interprète des personnages historiques comme le roi Louis-Philippe dans « Les Mohicans de Paris » (1975) ; le pape Urbain VIII, dans «D’Artagnan amoureux» (1977) ; le marquis de Listomère dans «Le curé de Tours» (1980) ; le marquis de Beauharnais dans «Joséphine ou la comédie des ambitions» (1981) et pour terminer citons son personnage de Staline hallucinant de ressemblance, dans le téléfilm «La Mort de Staline» (1981).

Jean Martinelli fut un grand comédien de théâtre, sa filmographie ne compte qu’une trentaine de films mais le monde cinématographique lui doit beaucoup de postsynchronisations car il prêta sa voix grave à des comédiens américains tels John Wayne, Burt Lancaster, Gary Cooper et Humphrey Bogart et bien d'autres encore, pour la télévision, il fut la voix française de Raymond Burr pour la série «L'homme de fer » et celle de Nounours pour Bonne nuit, les petits ! diffusé à partir de décembre 1962 vers 19H20 sur la première chaîne de l’ORTF.

Jean Martinelli a été marié à la comédienne Monique Mélinand de 1952 à 1964 avec qui il a eu une fille, Agathe. Il a épousé ensuite l'actrice Nadine Basile, de 22 ans sa cadette.

Jean Martinelli décède d'un cancer le 13 mars 1983 à l'hôpital Henry Ey, dans le 13e arrondissement de Paris, à l'âge de 73 ans. Il est inhumé au cimetière du Père-Lachaise.