Militante del Partito socialista, durante la dittatura fascista fu tra gli organizzatori del movimento "Italia Libera". Dopo l'armistizio, entrato nella Resistenza, in seno al Comitato militare del CLN piemontese organizzò formazioni partigiane in Piemonte e Liguria e partecipò a numerose azioni nel Cuneese e nella Valle del Taro. Caduto nelle mani dei fascisti il 30 luglio del 1944, Martorelli fu torturato e ucciso.

Dopo la fine della guerra gli fu riconosciuta la Medaglia d’Oro al Valor Militare. La motivazione della massima ricompensa al valor militare concessa a Martorelli dice: "Fu tra i primi che l'8 settembre 1943 diedero vita alle formazioni partigiane. Assertore deciso della volontà di lotta, a questa prodigò l'inesauribile sua attività, la sua straordinaria energia, il prestigio che a lui derivava dalla forza dell'esempio. Ricercato con particolare accanimento dalle polizie fascista e tedesca, rifiutò ogni asilo ed ogni sosta. Catturato, conobbe il calvario degli insulti, delle offese, delle torture, ma non piegò accettando il supremo sacrificio perché vivessero le idee di indipendenza e di libertà" (ANPI.it).

Una lapide sotto i portici di Piazza CLN ricorda il suo sacrificio. In corso Palestro 10, sulla facciata della sede storica del Partito Socialista, il suo nome è ricordato insieme ad altri caduti del CLN. Alla sua memoria è stata intitolata la via già denominata "via Mario Sonzini". Inoltre, porta il suo nome una sezione ANPI di Torino.