Fill segon d’un carnisser. Les primeres dades de la seva activitat apareixen en un contracte enllestit el 1427. S'establí oficialment a Barcelona el 1433, on els consellers li estengueren un rebut per a la realització d’unes pintures per al trentenari. Una probable estada al taller de Lluís Borrassà i la coneixença de l’obra de Jaume Huguet es reflecteixen en el seu estil. Fou la màxima figura del gòtic internacional, introduït a Catalunya pel primer d’aquests, que ell superà en naturalisme i humanisme. Servà, però, l’absència d’ornamentació espacial, la simplicitat dels fons paisatgístics i de les perspectives.
La seva obra més coneguda, a part els retaules, és la il·luminació del Llibre d’Hores per al convent de Santa Clara de Barcelona (Barcelona, Arxiu Històric); tot i que en contractà un altre —Comentaris als Usatges (1448), de Jaume Marquilles— no l’executà ell mateix, sinó algú del seu obrador. Com molts altres quatrecentistes, dissenyà vitralls i robes, tallà imatges i en daurà. Durant molts anys la seva obra fou identificada com a executada per un mestre de Sant Jordi, fins que Agustí Duran i Sanpere descobrí el seu nom, el 1937, en el contracte del retaule de Púbol, fet que permeté d’atribuir-li altres obres anònimes.
Creà una nova etapa de caire estèticament més europeu, introduí més varietat de color i se serví de llums rasants, reflexos i ombres; defugint la grandiositat, s’aturà amb gràcia i delicadesa en la narració, que arriba, àdhuc, a l’intimisme i la poesia. Gran dibuixant —se'n conserven uns quants esbossos i croquis—, recorda sovint el detall de les miniatures. En les narracions pictòriques els cossos prenen un notable volum sense perdre el sentit d’estructura austera i simple, equilibrant sempre la línia i la massa. Els personatges són copsats en expressions molt humanes, amb una gran intensitat dramàtica i íntima a la vegada. Ja en la primera de les seves obres conservades, el retaule de Sant Joan Baptista de Cabrera de Mataró (~1420), bé que s’hi reflecteix l’influx de Borrassà, s’inicia clarament en l’estudi psicològic de l’expressió de cares i gests: cares i mans esdevenen la millor síntesi de la finor i el naturalisme, així com d’una acurada tècnica del dibuix i del color.
A la primera etapa de la seva activitat correspon el famós retaule de Sant Jordi i la princesa (~1425-37; la taula central és al Chicago Art Institute), que li donà el nom de mestre de Sant Jordi: peça d’una gran bellesa, on en un aparent arcaisme es combina amb una efectiva realitat, denota profundes coneixences de composició i dibuix, paleses en el cavall, un dels estudis naturalistes més aconseguits de la pintura gòtica; envolten la taula central quatre taules laterals (París, Louvre), no tant simbòliques però d’un gran dramatisme.
Totes les seves taules denoten un cert arcaisme; preferia obres de menors dimensions, com el retaule de Sant Vicenç —procedents de Menàrguens i originari del monestir de Poblet (Museu d’Art de Catalunya)—; l’anatomia dels personatges és d’una gran finor i perfecció, i la perspectiva, utilitzada d’una manera molt desigual, recorda sovint certs italianismes i menysprea les innovacions germàniques. El tríptic del Davallament (Museu de Arte Antica, Lisboa) sobresurt pels seus encertats efectes de perspectiva.
El retaule de la Transfiguració (Barcelona, catedral) conté escenes d’una gran bellesa i sensibilitat, com la de la Samaritana. La perspectiva aèria es pot observar al retaule de Sant Miquel Arcàngel (Tarragona, catedral). L’excés de comandes féu minvar la qualitat de l’estil, i sovint els membres del seu taller es limitaren a repetir escenes ja realitzades. Treballà molt activament fins a la seva mort, després de la qual la seva vídua, Bartomeua, i el seu fill Bernat, menor d’edat, es feren càrrec del taller.
Retaule de santa Maria Magdalena de Perella (cap a 1437-52), provinent de Sant Joan de les Abadesses
Museu episcopal de Vic
Continuaren les seves comandes Miquel Nadal i Pere Garcia de Benavarri. Altres obres seves són Sant Joan Baptista (Museu Diocesà de Barcelona), Mare de Déu amb el nen (museu de Filadèlfia), retaule de Santa Llúcia (col·l particular), retaule de Santa Eulàlia i Sant Joan (Museu Episcopal de Vic), predel·la de la Passió (Barcelona, catedral), retaule de Santa Eulàlia (Museu Nacional d’Art de Catalunya), retaule de Sant Pere (1437; Museu d’Art de Girona), taules de la Resurrecció i la Pentecosta del retaule de Santa Maria de la Mare de Déu (Palma, Societat Arqueològica Lul·liana), retaule dels Sants Joans (Museu Nacional d’Art de Catalunya, Museu Diocesà de Tarragona, col·l Wildenstein) i el retaule de Santa Magdalena (Vic, Museu Episcopal).
L’any 2011 hom identificà Martorell com a autor dels brodats narratius del tern de Sant Jordi, nom que reben els quatre vestits litúrgics (dues dalmàtiques, una casulla i una capa) de la capella de Sant Jordi del Palau de la Generalitat. Martorell en dissenyà els models de les setze escenes de la vida del sant distribuïdes als quatre vestits litúrgics.