Arturo Martini nasce a Treviso nel 1899 in una famiglia con modeste risorse economiche. Fin dall'infanzia dimostra talento artistico e, grazie al supporto della madre, inizia a frequentare la Scuola serale d’arti e mestieri. Giovanissimo, lavora come apprendista in un laboratorio di oreficeria e si avvicina all'argilla refrattaria e ai processi di fusione, iniziando a realizzare opere in terracotta.
Nel 1908, Martini comincia a partecipare alle esposizioni di Ca' Pesaro a Venezia, dove inizia a farsi conoscere. Grazie al supporto di figure come Gregorio Gregorj e Cesare Augusto Levi, trascorre un periodo a Monaco di Baviera, dove lavora con porcellane e ceramiche, apprendendo nuove tecniche. Nei suoi viaggi, sperimenta diversi materiali e consolida la sua padronanza nel campo della ceramica.
Nel 1912, Martini si trasferisce a Parigi con altri artisti italiani e partecipa al Salon d’Automne con opere grafiche. Tornato in Italia, si dedica sia alla grafica che alla scultura, esponendo nel 1913 a Ca' Pesaro. Durante la Prima Guerra Mondiale, Martini evita il fronte lavorando in uno stabilimento di Savona, dove conosce Brigida Pessano, che sposerà nel 1920.
Dopo la guerra, Martini esplora i classici del Quattrocento italiano, mentre si dedica alla ceramica e alla grafica. Nel 1929 si trasferisce a Monza, dove insegna scultura e crea opere in terracotta. La sua carriera raggiunge l'apice nel 1931 con la vittoria del primo premio alla Quadriennale d’Arte Nazionale a Roma. Durante gli anni '30, Martini si dedica a opere monumentali in bronzo e marmo, realizzando grandi sculture per commissioni pubbliche.
Nel 1941, Martini si trasferisce a Venezia, dove assume la cattedra di scultura all'Accademia di Belle Arti. Qui produce alcuni dei suoi ultimi capolavori, tra cui Tito Livio e Pegaso caduto. Tuttavia, negli ultimi anni della sua vita, Martini affronta una crisi creativa, sentendosi in conflitto con la nuova epoca artistica che stava emergendo.
Nel 1947, a pochi mesi dal ritorno in famiglia, muore a causa di un ictus. Martini è stato sepolto a Vado Ligure, dove è stato eretto un monumento in suo onore​.