Как и большинство будущих итальянских асов войну Мартиноли начал на CR.42, на истребителе этого типа он сбил 13 июня 1940 г. над Тунисом английский бомбардировщик. Надо сказать эта победа не подтверждена документами противной стороны. После начала войны Мартиноли в третий сменил подразделение — он был направлен в 78-ю эскадрилью 13-й группы 2 Stormo; соединение базировалось в Ливии, на вооружении состояли все те же CR.42. Сопровождая бомбардировщики S.79 при налете на Мерса-Матрух 13 октября, Мартиноли сбил «Гладиатор», принадлежавший, по всей видимости, 112-й эскадрилье RAF (и эта победа не подтверждается британскими документами).
Третью и последнюю за свою первую африканскую командировку победу, Мартиноли одержал после его перевода в 4 Stormo 5 января 1941 г., жертвой итальянца стал «Бленхейм», воздушный бой произошел в зоне Бардии.
После перевооружения Stormo на С.200 в начале 1941 г. фортуна долго не улыбалась Мартиноли, однако боевой счет летчика начал быстро расти. К этому времени Мартиноли был временно прикомандирован к 9 Stormo, вооруженной истребителями С.202. Действуя с сицилийского аэродрома Комизо Мартиноли за два месяца сбил над Мальтой три «Харрикейна» и один «Бленхейм».
Зимой 9 Stormo отвели в Италию на отдых, весной соединение вернулось на Мальту. К этому времени на Мальте появились первые «Спитфайры». Летчики С.202 обнаружили, что драться со «Спитфайрами» гораздо сложнее, чем с «Харрикейнами». Пилоты 9 Stormo постоянно летали на сопровождение бомбивших Мальту Z.1007 и S.84. В период с 4 по 16 мая Мартиноли сбил три «Спитфайра».
В конце мая всю Stormo перевели в Африку в рамках усиления авиационной группировки перед предстоящим наступлением Роммеля. Асы 4 Stormo — Луччини, Ферулли, Джианелла, Веронизи, Мальвиззи, Рейнер. Аннони и Баркаро — одержали львиную часть побед, занесенных на боевой счет соединения в период безостановочного отступления союзников в Северной Африке.
С 29 мая по 9 октября 1942 г. Мартиноли сбил в воздушных боях восемь самолетов (шесть Р-40 и два «Спитфайра»). Уже после начала британского контрнаступления, 23 октября, он сбил еще один истребитель союзников (вероятно «Киттихаук» из 266-й эскадрильи, хотя официально на счет Мартиноли занесли Р-39 «Аэрокобру»). Это была последняя победа итальянского аса в небе Северной Африки.
В последующий год Матиноли выполнял невозможное — вместе с коллегами пытался закрыть небо Италии от налетов авиации союзников. В первые дни июля погибли Луччини и Фиррули, Мартиноли тогда на C.205V сбил истребитель Р-38 «Лайтнинг» и четырехмоторный бомбардировщик В-17 «Летающая крепость». Последним самолетом союзников, ставшим жертвой Мартиноли, был сбитый им 15 августа при отражении вторжения на Сицилию «Спитфайр».