Pierluigi Martini n'a couru en F1 qu'avec des petites écuries, tout en réussissant à se débrouiller plutôt bien.

Pierluigi obtient son premier titre automobile en 1980, lorsqu'il devient champion de formule FIAT Abarth. L'année suivante, il passe à la Formule 3 italienne. En 1982 il remporte trois victoires, à Imola, Monza et Misano, au volant d'une Ralt-Alfa Romeo. En 1983, il passe au championnat européen en remportant quatre victoires, il s'octroie le titre. Il court également une course de Formule 2, le Grand Prix de l'Adriatique, terminant à la deuxième place. En 1984, il apparaît pour la première fois dans le championnat de Formule 1 avec une Toleman-Hart à Monza, mais ne réussit pas à se qualifier. Il court en voitures de sport avec une Lancia.

En 1985, il dispute sa première saison complète avec Minardi, une équipe de F2 qui fait également ses débuts parmi l'élite du sport automobile. La première saison sera plus que décevante, Pierluigi doit lutter pour obtenir une place en fond de grille et ne parvient jamais à terminer dans les points. Plutôt que de poursuivre en F1, le pilote italien va courir en F3000. Sa première saison se déroule plutôt bien, il remporte les courses d'Imola et de Mugello, et termine troisième du championnat. En 1987, il manque la victoire à Enna-Pergusa, mais prend sa revanche l'année suivante.

En 1988, il revient en F1 chez Minardi, et marque le premier point de l'écurie dès sa première participation de la saison. La saison 1989 sera également une bonne saison compte tenu du matériel mis à sa disposition. Il termine cinquième en Grande-Bretagne, puis également cinquième au Portugal, où suite à l'accrochage du leader Mansell avec Senna, il parcourt un tour en tête. Enfin, en Australie, il se classe troisième sur la grille de départ. La saison suivante, va également démarrer en trombe, lors de la première épreuve, aux USA, Pierluigi termine deuxième des qualifications, il ne lui a manqué que 0"047 pour décrocher la pole-position, mais cette belle performance ne sera jamais récompensée par une place dans les points en course, le reste de la saison ne sera pas performant.

En 1991, les Minardi abandonnent le moteur Ford Cosworth pour adopter le Ferrari. Aux USA, c'est une casse de ce moteur qui empêche Pierluigi de marquer un point. Il prend sa revanche à Imola en terminant à la quatrième place, la meilleure performance d'une Minardi, qu'il va répéter au Portugal, à une dizaine de secondes à peine de Jean Alesi et du podium. En 1992, Pierluigi part pour la Scuderia Italia et ses Dallara. Il marque un point en Espagne et un autre point lors de l'épreuve suivante à Imola. Mais à la fin de la saison, Dallara abandonne la F1, Pierluigi se retrouve sans volant. Minardi va le récupérer en milieu de saison, trop tard pour lui permettre de marquer des points. Il reprend un rythme plus soutenu en 1994 et termine cinquième à deux reprises dans la saison. En 1995, il ne marque aucun point de la saison, avant d'être remplacé par Pedro Lamy. Pierluigi ne retrouvera plus de volant en F1.

Après une participation aux 24 heures du Mans, Pierluigi dispute le championnat de FIA GT en 1997 avec la Scuderia Italia sur Porsche. Il dispute également le championnat d'international Sport Racing Series avec Stefan Johannson, avec une victoire à Donington. En 1998, il termine troisième à Anderstorp. Puis en 1999, Pierluigi remporte la plus importante victoire de sa carrière, les 24 heures du Mans avec Joakim Winkelhock et Yannick Dalmas.

En 2000, il dispute les 12 heures de Sebring, puis abandonne la course automobile.