Nel marzo 1640 salpa da Lisbona con 24 confratelli alla volta delle Indie Orientali. La traversata, che tocca in successione Goa, in India, e Macao, in Cina, è a dir poco avventurosa.

Nell'ottobre 1643 si stabilisce ad Hangzhou, provincia del Zhejiang, "la città più bella che esiste sotto il cielo" ? a giudizio dei cinesi ? e là inizia la sua attività missionaria, mentre il Paese è sconvolto dalla guerra fra la dinastia autoctona dei Ming e quella tartara dei Qing. A seguito di spostamenti dettati dai suoi superiori visita alcune province della Cina lungo il Canale Imperiale, acquisendo una profonda conoscenza della geografia, dell'economia e della popolazione del Paese.

Nel 1651 parte per raggiungere Roma in qualità di procuratore della missione, per spiegare al Vaticano il significato delle consuetudini funerarie e confuciane cinesi, ma la nave, sulla quale si era imbarcato dopo quasi un anno di attesa nelle Filippine, viene catturata dagli olandesi, che lo trattengono a Batavia (Giacarta) per altri otto mesi. Nel settembre 1653 sbarca a Bergen, in Norvegia, da dove prosegue alla volta di Amburgo, Amsterdam, Anversa e Bruxelles.

Nel marzo 1654, ad Anversa, dall'editore B. Moret viene pubblicata la De Bello Tartarico Historia, ovvero la cronistoria della guerra civile, di cui era stato suo malgrado spettatore, che riscosse un successo straordinario. In quell'anno si ebbero quattro edizioni del testo latino e cinque traduzioni (tedesca, italiana, francese, inglese e olandese). In Cina tutt'oggi si fa riferimento alla sua opera, a riprova della serietà e affidabilità del testo.

Predisposto il materiale del Novus Atlas Sinensis, Martini lo affidò all'editore J. Blaeu, che pubblicò l'opera nella seconda metà del 1655, ad Amsterdam. Era il primo grande atlante della Cina che gli europei poterono consultare, con 170 pagine di testo, oltremodo ricche di informazioni sulle singole province, di cui sono illustrati confini, caratteristiche generali, variazione nel nome, indole degli abitanti, prodotti principali e status amministrativo, corredate da 17 tavole, sulle quali Martini tracciò le linee della latitudine e della longitudine, riuscendo a fornire l'esatta ubicazione di oltre 2100 località cinesi, giapponesi e coreane.

Giunto a Roma nell'ottobre 1654, Martini affida all'editore I. de Lazzeris la stampa della Brevis Relatio de Numero et Qualitate Christianorum apud Sinas, resoconto riservato ai superiori di Roma, sulla situazione in terra di missione, con particolare riguardo ai progressi nell'opera di apostolato, evidenziati dai dati statistici sul numero dei convertiti. Sostiene con successo, davanti al Santo Ufficio, la legittimità dei riti confuciani cinesi e ottiene l'avallo della Congregazione Propaganda Fide col decreto di papa Alessandro VII, il 23 marzo 1656.

Salpa da Lisbona alla volta della Cina il 4 aprile 1657 con altri 16 gesuiti e rientra ad Hangzhou nel giugno del 1659, dopo un viaggio reso drammatico a causa di un attacco pirata, terribili tempeste e una grave epidemia e bordo che non risparmiò neppure il missionario trentino.

Mentre Martini era ancora in viaggio, a Monaco di Baviera i suoi confratelli fecero pubblicare (1658) la Sinicae Historiae Decas Prima, storia della Cina antica, dalle origini fino alla nascita di Cristo. Il testo, come dice il titolo, è suddiviso in dieci libri, ai quali, nelle intenzioni del Martini, doveva seguire una seconda deca. Purtroppo la morte prematura gli precluse la possibilità di completare l'opera.

Grande prestigio ebbe in Europa la Grammatica Sinica del Martini, testo base per i sinologi del Nord Europa, rimasto purtroppo manoscritto data l'impossibilità di stampare i caratteri cinesi. Dal testo manoscritto, fatto pervenire da Batavia dopo il 1689, oltre che da quello donato da Martini a Golius nel 1653, derivarono le prime grammatiche cinesi. Nel vol. II dell'Opera Omnia del Martini, pp. 385-464, è stato riprodotto integralmente il testo del manoscritto di una delle grammatiche della lingua cinese, conservate nella Biblioteca di Glasgow. Il testo è stato reso unico dalle note esplicative preparate dal sinologo prof. Giuliano Bertuccioli, rivolte agli specialisti, ma fruibili anche da un comune lettore.

Postumo fu pubblicato in lingua cinese il Trattato sull'Amicizia, nel quale l'autore illustra la concezione europea del sentimento dell'amicizia, tema oltremodo caro ai cinesi: quasi un'antologia della letteratura classica sull'argomento.

Martino Martini muore il 6 giugno 1661, all'età di 47 anni, a seguito di una breve malattia, dopo essere riuscito ad avviare la costruzione della "Chiesa dell'Immacolata Concezione", in stile europeo, secondo un progetto da lui stesso predisposto. La fama del Martini non si spense con lui: dopo 15 anni la sua salma era ancora oggetto di omaggio e di venerazione non solo da parte dei cristiani, ma anche dei taoisti e buddisti, al punto che un superiore della missione dei Lazzaristi nel 1877 (due secoli dopo la morte) diede ordine di seppellire nuovamente Martini per stroncare un culto divenuto idolatrico. Oggi le sue spoglie riposano in un mausoleo presso la città di Hangzhou, in un'area di ca. 1600 metri quadrati, riservata dal 1993 ad uso di cimitero cattolico.