Dopo gli studi classici a Firenze (1916) si trasferisce a Roma, dove studia matematica all'Università (1918). Abbandona gli studi per dedicarsi alla pittura ed è tra i frequentatori della "terza saletta" del Caffè Aragno. Nel 1925 si trasferisce a Parigi, ospite di Filippo de Pisis, e stringe amicizia con Giorgio de Chirico e Gregorio Sciltian. Nel 1927 si avvicina al gruppo "Les Italiens de Paris" (de Chirico, Severini, Campigli, de Pisis, Savinio , Paresce, Tozzi) partecipando ad alcune mostre, tra le quali spicca la Biennale di Venezia del 1930.
Nel 1931 ritorna in Italia, muovendosi tra Roma, Firenze, Genova e la Puglia, dove è attivo come organizzatore di mostre, promuovendo il rinnovamento di quell'ambiente culturale. Nel 1941 sposa la pittrice Adriana Pincherle, sorella di Alberto Moravia, e si stabilisce a Firenze dove ottiene "per chiara fama" una cattedra all'Accademia di Belle Arti. Espone regolarmente alle Quadriennali di Roma e alle Biennali di Venezia.Nel 1956 ha una sala personale, e la giuria, presieduta da Roberto Longhi, gli assegna un premio. "La nature morte" come "Ulalume" (1936) e "Il marmo nero" (1937) risentono dell’influsso di Colacicchi e De Pisis. I grandi quadri di nudi sono vicini alle suggestioni culturali e archeologiche di Cagli, Capogrossi e Cavalli (Composizione di nudi, 1937-38, I giganti ,1938) .

Bibliografia: C. Vivaldi, Martinelli, cat. mostra, Pinacoteca Provinciale, Bari 1968; C. Vivaldi, Adriana Pincherle, Onofrio Martinelli: dalla scuola romana alle loro ricerche recenti, cat. mostra, Pinacoteca Comunale, Macerata 1983; R. De Grada, Onofrio Martinelli, Bari 1987; Cat. Piero della Francesca e il novecento, a cura di M. Fagiolo, M.M. Lamberti, Sansepolcro 1991

Bouquet di fiori finti