Elsa Tia (su nombre real) nació el 30 de enero de 1935 en Grosseto, Italia, en el seno de una familia humilde que unos años después se trasladaría a Roma. Fue la séptima de ocho hijos.
En 1953 actuó en su primera película, Se vincessi cento milioni, de Carlo Campogalliani y Carlo Moscovoni. En Hollywood la descubrió el productor y actor Kirk Douglas, quien la llamó para protagonizar The indian Fighter, en 1955, película que fue dirigida por André de Toth.
En 1956 Martinelli interpretó a Donatella, bajo la dirección de Mario Monicelli, papel con el que ganó el Premio Oso de Plata a la mejor actriz, en el Festival Internacional de Cine de Berlín.
Martinelli se casó en 1957 con el conde Count Franco Mancinelli. Tuvieron una hija.
La actriz también participó en películas como Hatari, Un amore a Roma, La víctima número diez, Le procès y Solo falta el asesino, entre otras, para un total de más de 30 interpretaciones a lo largo de su carrera, de la mano de grandes directores italianos y también en los estudios de Hollywood.
Al final de su carrera participó en algunas series de televisión. El 8 de julio falleció en su casa de Roma, a los 82 años.