Родился в 1876 году в Максевилле близ Нанси. Отец был кадровым офицером, происходившим из аристократического рода в Нормандии. Мать была знаменитой писательницей и журналисткой, публиковавшейся под псевдонимом Жип (GYP). Её публикации характеризовались ненавситью к республиканскому строю Франции, демократии и антисемитизмом. Среди её родственником были графиня и маркиз де Мирабо. Прежде чем поступить на медицинский факультет, де Мартель окончил политехническую школу и собирался стать инженером. По окончании медицинского факультета работал вначале под руководством известного невролога Жозефа Бабинского. По совету Бабинского де Мартель учился технике мозговых операций у Виктора Горслея. В течение почти целого года он каждую неделю пересекал Ла-Манш: покидая Париж в понедельник вечером, де Мартель появлялся в Лондоне во вторник утром, ассистировал Горслею в неврологической больнице на Queens Square, а в среду возвращался в Париж.
Во время I мировой войны работал военным врачом. За свои заслуги был удостоен ордена Почётного легиона.
Вначале работал в госпитале Сальпетриер, где провёл свои первые нейрохирургические операции в клинике акушерства и гинекологии своего друга. Впоследствии оперировал в клинике госпиталя в Neuilly возле Парижа.
В день вступления немецких войск в Париж 14 июня 1940 сделал себе смертельную инъекцию стрихнина.
Техническое образование де Мартеля позволило ему усовершенствовать хирургический инструментарий. Он изобрёл гемостатические клипсы, самоудерживающийся мозговой ретрактор, хирургическое кресло. Главным его изобретением был автоматический электрический трепан. Обычные трепаны часто проваливались в полость черепа, повреждая мозг и становясь причиной послеоперационных осложнений. Трепан де Мартеля был рассчитан на быструю трепанацию без осложнений. Как только фреза достигала внутренней костной пластинки, она автоматически останавливалась и не повреждала твёрдую мозговую оболочку.
Опыт полученный в клинике Виктора Горслея позволила де Мартелю начать проводить одни из первых во Франции нейрохирургические операции. Согласно статистике его работы в 1913 году за 18 месяцев отделении в Сальпетриере (Париж) было сделано 30 хирургических вмешательств на головном и спинном мозге — 11 декомпрессивных трепанаций, 3 случая удаления мозговых опухолей и т. д. Из 29 оперированных погибло 9.
После I мировой войны опубликовал в 1918 году книгу «Les blessures du crane et du cerveau: formes cliniques, traitement medico-chirurgical» (Травмы черепа и мозга: клинические формы, медицинское и хирургическое лечение"), в которой подытоживал свой опыт (около 5 тысяч случаев черепно-мозговой травмы). Вскоре появилось её английское издание. Там подчёркивалось, что в военно-полевых условиях не следует торопиться с операциями при черепно-мозговой травме, которые должны выполняться в специальных госпиталях.
В 1913 г. де Мартель познакомился с Кушингом на неврологическом конгрессе в Лондоне. После Первой мировой войны де Мартель пять раз пересекал Атлантический океан, чтобы побывать в его клинике. Вместе с Денекером в 1924 г. он опубликовал французский перевод книги Кушинга «Опухоли слухового нерва». Как писал де Мартель:
Во время очередного визита к Кушингу в 1927 г. Мартель уговорил своего ученика и друга-невролога Кловиса Венсана отправиться вместе с ним, что впоследствии стало причиной их ссоры.
Помимо электротрепана, местная анестезия и сидячее положение больного при операциях на головном мозге (с целью уменьшения кровопотери) являются наиболее известными достижениями де Мартеля в области нейрохирургии. Он впервые во Франции пересёк чувствительную ветвь тройничного нерва при тригеминальной невралгии.