Pada tanggal 24 Mei 2014, Paus Fransiskus menunjuk Martinelli sebagai uskup auksilier dari Keuskupan Agung Metropolitan Milan[6] dan uskup tituler dari Musti di Numidia. Dia ditahbiskan sebagai uskup di Katedral Metropolitan-Basilika Kelahiran Santa Maria pada 28 Juni 2014. Dia memilih “Gloria Dei Vivens Homo” (Kemuliaan Tuhan adalah Manusia Sepenuhnya Hidup)[7] sebagai moto uskupnya. Sejak 2014, ia menjadi Vikaris Episkopal untuk Hidup Bakti. Monsinyur Paolo Martinelli juga menjadi anggota Konferensi Waligereja Italia sejak tahun 2015 dan terpilih sebagai Presiden Komisi Waligereja untuk Klerus dan Hidup Bakti konferensi tahun 2021. Msgr. Martinelli juga menulis dan menyunting beberapa buku dan artikel tentang teologi spiritual dan berbagai panggilan dalam Gereja.[8]
↑"Monsignor Martinelli, il motto e lo stemma episcopale"[Monsignor Martinelli, the motto and the episcopal coat of arms]. Frati Cappuccini Italiani[Italian Capuchin Friars] (dalam bahasa Italia). Diakses tanggal 18 Februari 2023.
