Pierluigi Martini n'a couru en Formule 1 qu'avec de petites écuries, mais il s'en est plutôt bien sorti.

Il 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, où il remporte quatre victoires et décroche le titre. Il participe également à une course de Formule 2, le Grand Prix de l'Adriatique, et termine deuxième. L'année suivante, il ne participe qu'à quelques courses d'endurance avec la Scuderia Jolly Club, au volant d'une Lancia LC2-83.

En F1 avec Toleman

Il fait ses débuts en Formule 1 en septembre 1984 lors du Grand Prix d'Italie sur le circuit de Monza. Il est appelé par l'écurie Toleman pour remplacer Johnny Cecotto, gravement blessé en Grande-Bretagne. Il pilote la Toleman TG184 équipée d'un moteur Hart turbo. Manquant d'expérience avec cette monoplace, il réalise le 27e temps lors des essais, à plus de neuf secondes de la pole position, et se retrouve non-qualifié pour la course.

Minardi

En 1985, il dispute sa première saison en Formule 1 au sein de la nouvelle écurie Minardi. Il commence le championnat au volant de la Minardi M185, équipée d'un moteur Ford Cosworth V8 atmosphérique. Il est contraint à l'abandon lors des deux premières épreuves, au Brésil et au Portugal. A partir du Grand Prix de Saint-Marin, la monoplace est équipée du nouveau moteur Motori Moderni V6 turbo. Ce changement technique marque le début d'une période difficile, marquée par de nombreux problèmes de fiabilité. Il enchaîne les abandons en raison de défaillances récurrentes du turbocompresseur, de l'alimentation ou du moteur. Il parvient néanmoins à se qualifier pour chaque épreuve du calendrier, oscillant généralement entre la vingtième et la vingt-cinquième place sur la grille de départ. Sa persévérance porte ses fruits lors de l'ultime rendez-vous de la saison, le Grand Prix d'Australie. Sur le circuit urbain d'Adélaïde, il profite des nombreux incidents de course pour rallier l'arrivée. Il termine à la huitième place, ce qui constitue son unique classement de l'année, mais aussi le premier résultat significatif de l'histoire de l'écurie italienne dans la catégorie reine. Malgré cette performance, Minardi ne renouvelle pas son contrat.

Il se tourne alors vers la Formule 3000 en 1986 pour relancer sa carrière. Il s'engage avec l'écurie Pavesi Racing, au volant d'une Ralt RT20. Il remporte trois victoires sur les circuits d'Imola, du Mugello et de Jarama, et affiche une grande régularité qui lui permet de terminer au troisième rang du championnat. En 1987, il poursuit son engagement en Formule 3000, toujours au sein de l'écurie Pavesi Racing. Mais sa saison est plus irrégulière et il ne monte qu'une seule fois sur le podium, en terminant troisième, sur le circuit d'Enna-Pergusa. Tout au long de ces deux années, il entretient des contacts étroits avec l'écurie Minardi et participe à des séances d'essais privés.

En 1988, il poursuit sa carrière en F3000, terminant troisième à Pau, puis est appelé par Minardi pour remplacer Adrián Campos lors du Grand Prix de Détroit. Au volant de la Minardi M188, il réalise une performance historique dès sa première course en terminant à la sixième place. Ce résultat permet à l'écurie de Faenza d'inscrire son premier point dans le championnat du monde. Durant le reste de l'année, il se distingue par sa pointe de vitesse en qualifications, parvenant régulièrement à hisser sa monoplace en milieu de grille, malgré un manque de fiabilité technique. Il termine la saison à la seizième place du classement des pilotes. Parallèlement à ses engagements en Formule 1, il achève sa participation au championnat de Formule 3000, avec une victoire à Enna-Pergusa.

En 1989, il s'impose comme le pilote leader de l'écurie Minardi, qui bénéficie désormais des pneumatiques Pirelli. Cette collaboration technique permet au pilote italien de réaliser des performances notables lors des séances de qualification. Au volant de la M188B, puis de la M189, il réalise ses meilleurs résultats en course durant l'été et l'automne. Il termine cinquième du Grand Prix de Grande-Bretagne à Silverstone, puis réitère cette performance au Grand Prix du Portugal à Estoril. Lors de cette épreuve, il entre dans l'histoire de son écurie en menant la course pendant un tour, ce qui constitue la seule fois où une Minardi a mené un Grand Prix de Formule 1. Il conclut sa campagne en se qualifiant en troisième position, puis en terminant à la sixième place lors du Grand Prix d'Australie, disputé sous une pluie torrentielle. Il se classe au quinzième rang du championnat, consolidant ainsi la position de Minardi dans le milieu du peloton, face à des écuries disposant de budgets nettement supérieurs.

En 1990, il poursuit son association avec Minardi et Pirelli. Dès l'ouverture de la saison, lors du Grand Prix des Etats-Unis sur le circuit urbain de Phoenix, il crée la sensation en signant le deuxième temps des qualifications, à seulement 67 millièmes de la pole position, au volant de la M189. Cette première ligne sur la grille de départ reste la meilleure performance de l'écurie dans cet exercice. Malgré cet exploit initial, la saison s'avère frustrante en raison du manque de fiabilité de la nouvelle monoplace M190. Bien qu'il se qualifie parfois dans le top 10, comme au Brésil ou à Monaco, il ne parvient pas à marquer le moindre point au championnat. Sa saison est également marquée par un accident survenu lors des essais du Grand Prix de Saint-Marin. L'Italien s'en tire avec une simple fracture de la malléole, mais doit tout de même déclarer forfait pour la course. En dehors de la Formule 1, il limite ses apparitions pour se concentrer sur le développement technique de sa voiture, affirmant ainsi son statut de pilote indissociable du projet de Giancarlo Minardi sur le long terme.

La saison 1991 marque un tournant technique majeur pour Martini, l'écurie adoptant le moteur Ferrari V12. Cette motorisation prestigieuse permet à la monoplace M191 de gagner en puissance et en compétitivité. Le pilote italien réalise une saison de grande régularité, s'imposant comme le meilleur représentant des écuries privées, derrière les quatre structures de pointe. Il réalise ses meilleurs résultats en carrière en terminant au pied du podium lors des Grands Prix de Saint-Marin à Imola et du Portugal à Estoril, avec deux quatrièmes places significatives. Grâce à sa maîtrise technique et à sa connaissance de l'équipe, il marque des points à six reprises au cours de la saison. Il termine le championnat à la onzième place du classement des pilotes, avec un total de six points. Ce bilan marque le point d'orgue de sa collaboration avec Minardi, avant qu'il ne rejoigne l'écurie BMS Scuderia Italia pour la saison suivante, clôturant ainsi un cycle de quatre années consécutives à Faenza.

Dallara

Grâce à ses bonnes performances, l'écurie BMS Scuderia Italia lui propose un volant pour la saison 1992. Il pilote la Dallara 192, une monoplace équipée d'un moteur Ferrari V12. Associé au Finlandais JJ Lehto, il entame la saison avec des problèmes de fiabilité lors des premières manches en Afrique du Sud et au Mexique. Il réalise son premier résultat notable au Grand Prix d'Espagne, à Barcelone, où il termine sixième et marque son premier point de la saison. Il réitère cette performance lors de l'épreuve suivante, le Grand Prix de Saint-Marin à Imola, en franchissant à nouveau la ligne d'arrivée à la sixième place. La suite du championnat s'avère plus complexe pour l'écurie italienne. Malgré la puissance du moteur Ferrari, le châssis Dallara manque de développement aérodynamique. Durant l'été, il subit plusieurs abandons et ne parvient plus à intégrer le top 6. Avec deux points au compteur, il se classe seizième du championnat du monde des pilotes. Mais à la fin de la saison, Dallara se retire de la Formule 1 et Pierluigi se retrouve sans volant.

Retour chez Minardi

En 1993, il fait son retour au sein de l'écurie Minardi à partir du Grand Prix de Grande-Bretagne. Il remplace son compatriote Fabrizio Barbazza, à court de budget, pour la seconde moitié de la saison. Il pilote la Minardi M193 équipée d'un moteur Ford Cosworth HB. Malgré sa connaissance approfondie de l'équipe de Faenza, il doit composer avec une monoplace qui manque de développement par rapport aux écuries de pointe. Lors de sa première course, à Silverstone, il souffre de crampes et préfère renoncer. Il réalise sa meilleure performance de l'année lors du Grand Prix d'Italie à Monza, où il franchit la ligne d'arrivée à la septième place, juste à la porte de la zone des points. Il se classe également huitième lors du Grand Prix de Belgique. Durant cette période, il participe à la mise au point technique de la voiture en vue de la saison suivante, confirmant ainsi son rôle de pilote de référence pour Giancarlo Minardi.

En 1994, Martini dispute l'intégralité du championnat avec Minardi aux côtés de l'expérimenté Michele Alboreto. Il dispose de la M193B lors des premières manches, puis de la M194 à partir du Grand Prix du Canada. Lors de la première manche, au Brésil, il se classe à une belle huitième place. Mais la suite est marquée par trois abandons consécutifs. Lors du Grand Prix d'Espagne, il réalise une course solide et termine à la cinquième place, marquant ainsi ses deux premiers points de l'année. Après une neuvième place au Canada, il réitère cette performance lors du Grand Prix de France à Magny-Cours, franchissant à nouveau la ligne d'arrivée au cinquième rang. Ces quatre points constituent l'essentiel du bilan comptable de l'écurie pour la saison. En fin de saison, il subit la supériorité des motorisations plus puissantes et termine hors des points.

En 1995, il entame ce qui sera sa dernière campagne en Formule 1. Il pilote alors la Minardi M195. L'écurie traverse alors une période de grande fragilité budgétaire, suite à l'échec d'un contrat de motorisation avec Mugen-Honda, ce qui limite les possibilités d'évolution technique. Malgré ces contraintes, il se qualifie régulièrement en milieu de grille et parvient à devancer son coéquipier, Luca Badoer, lors de plusieurs épreuves. Son meilleur résultat de l'année intervient lors des Grands Prix de Monaco et de Grande-Bretagne, à Silverstone, où il se classe septième. Lors de la manche suivante, disputée sur le circuit d'Hockenheim, en Allemagne, il réalise sa dernière apparition officielle en Grand Prix. En raison de contraintes financières, l'écurie Minardi décide de le remplacer par le Portugais Pedro Lamy pour le reste de la saison. Après 118 départs en Grand Prix, dont 102 sous les couleurs de Minardi, il quitte la discipline reine du sport automobile.

L'après-F1

En 1996, il participe aux 24 Heures du Mans avec l'écurie Joest Racing, au volant de la TWR Porsche numéro 7. Mais, c'est la numéro 8, l'autre voiture de l'équipe, qui remporte la course. En 1997, il dispute le championnat FIA GT avec la Scuderia Italia sur une Porsche 911 GT1. Il participe également au championnat d'International Sport Racing Series avec Stefan Johansson et remporte une victoire à Donington. En 1998, il termine troisième à Anderstorp au volant d'une Riley.

En 1999, il est engagé par l'écurie BMW Motorsport pour les 24 Heures du Mans, au volant de la BMW V12 LMR. Associé au Français Yannick Dalmas et à l'Allemand Joachim Winkelhock, il réalise une course d'une grande régularité, restant constamment aux avant-postes. L'équipage profite de l'abandon de la BMW de tête, pilotée par JJ Lehto, à la suite d'un accident survenu en fin de matinée, ainsi que des problèmes de fiabilité et des sorties de route spectaculaires de ses principaux concurrents, Mercedes et Toyota. Pierluigi assure le dernier relais et franchit la ligne d'arrivée avec un tour d'avance sur la Toyota GT-One. Ce succès marque la seule victoire de BMW au classement général de l'épreuve mancelle, et constitue le point culminant de la carrière de Martini en endurance, seulement quatre ans après son départ de la Formule 1.

Après avoir quitté les circuits, il fait un bref retour à la fin des années 2000, participant aux Grand Prix Masters, aux courses de tourisme et aux championnats italiens de GT, avant de prendre sa retraite à la fin de la saison 2010. On le voit ensuite lors de courses historiques, mais également comme consultant pour les médias italiens.