Nadat hij eerst zaalvoetbal speelde bij Corinthians, ging Martinelli op het veld voetballen in de jeugdopleiding van Ituano. Hiervoor debuteerde hij op 17 maart 2018 in het eerste elftal, tijdens een met 1–2 gewonnen wedstrijd in het Campeonato Paulista uit bij São Bento. Hij speelde dat jaar drie wedstrijden in deze competitie, in het seizoen daarna veertien.
Martinelli verruilde Ituano in juli 2019 voor Arsenal. Hiervoor maakte hij op 11 augustus 2019 zijn debuut, in een met 0–1 gewonnen competitiewedstrijd uit bij Newcastle United. Hij viel na 74 minuten in voor Henrikh Mkhitaryan.[2] Zijn eerste doelpunt in de Premier League volgde op 9 december 2019, in een met 1–3 gewonnen wedstrijd uit bij West Ham United. Martinelli maakte daarvoor al vier doelpunten in het toernooi om de EFL Cup en drie in de Europa League.