Martinelli đã chơi toàn bộ các trận đấu trong Giải vô địch bóng đá U-17 châu Âu 2010. Anh cũng chơi cho U-18 Thụy Sĩ trong các trận gặp Bỉ và Tây Ban Nha. Anh cũng được mời quay trở lại để ra sân trận gặp Áo[19] và Pháp[20] nhưng từ chối. Anh chỉ chơi một lần cho U-19 Thụy Sĩ trong trận đấu cạnh tranh của Giải vô địch bóng đá U-19 châu Âu UEFA 2012. Anh nhận được lời mời thi đấu với Bắc Ireland (anh đã chơi một lần),[21] Phần Lan, (anh đã chơi hai lần),[22] Hà Lan (một lần)[23] và Estonia (một lần)[24] trong các trận giao hữu. Vào tháng 10 năm 2013, anh được mời vào đội tuyển U21 lần đầu tiên[25] và ra mắt trong đội hình 11 cầu thủ ban đầu.[26]