D’un llinatge de la noblesa mitjana, apareix el 1433 amb el tractament de mossèn, que significa que havia estat adobat cavaller. El 1437 canvià lletres de batalla amb el seu cosí Joan de Montpalau, que acusà d’haver trencat paraula de matrimoni a Damiata Martorell, germana de Joanot. L’epistolari entre els dos cosins durà vuit mesos i és escrit, dins els cànons jurídics i militars d’aquest gènere epistolar, amb encertats trets d’ironia i de sarcasme, que revelen, en tots dos adversaris, un enginy agut i un cert domini de la prosa.
Arribats a la conclusió que llurs diferències només es podien resoldre mitjançant una batalla a ultrança, o sia un combat individual a mort, Martorell hagué de cercar un jutge imparcial de la contesa que els proporcionés lloc per a la lluita i els assignés la data. Anà a Londres i aconseguí que el rei Enric VI d’Anglaterra acceptés la judicatura. La intervenció, des de València, de la reina Maria, muller d’Alfons el Magnànim, i del germà d’aquest, l’infant Enric, feu que la batalla entre Martorell i Montpalau no es dugués a terme i que el conflicte es liquidés, anys després, mitjançant una certa quantitat de florins, que aquest es veié constret a pagar a Damiata.
Martorell visqué, doncs, prop d’un any a Anglaterra (entre el març del 1438 i el febrer del 1439), sojorn atestat també per documentació anglesa. Conegué la sumptuosa vida de la cort, el cerimonial de l’orde cavalleresc de la Garrotera (Garter o Jarretière), estigué en relació amb cavallers de tot Europa, que hi acudien en cerca d’aventures, i tingué lleure per a llegir llibres que més endavant deixaren solc en les seves obres literàries.
De retorn al Regne de València, tingué afers cavallerescs amb Jaume de Ripoll i amb el cavaller errant Felip de Boïl. Vers el 1443 feu un viatge a Portugal, del qual hom té poques notícies. L’any següent vengué a Gonçal d’Íxer, comanador de Montalbà, el lloc de Murla i de Benibraïm, a la vall de Xaló, transacció que portà greus conseqüències, entre les quals l’empresonament de Galceran Martorell, germà de Joanot, cartells de deseiximents i lletres de batalla contra el comanador, signats per Joanot i el seu germà Jofré, intents de concòrdia imposada pel rei de Navarra (el futur Joan II), i un seriós desig d’arribar a batalla a ultrança, per part de Joanot, que el comanador evità endegant l’afer per les vies de la justícia civil, que llevà la raó a Martorell i li imposà “callament perdurable”.
És molt possible que, a conseqüència d’aquest llarg i desagradable afer, Martorell, desitjós d’una batalla a ultrança, fes un segon viatge a la cort anglesa vers el 1450. Entre el 1450 i el 1458 és atestat a Nàpols. A la mort del rei Alfons seguí el príncep de Viana, amb qui passà a Sicília i posteriorment a Barcelona.
El 2 de gener de 1460 és indubtable que començà la redacció de la seva gran obra Tirant lo Blanc, que dedicà a l’infant Ferran de Portugal, príncep que residí a Barcelona almenys des de l’agost del 1464 fins al març del 1465, a la cort del seu germà Pere el Conestable, proclamat rei per una part dels catalans, i del qual era el parent més pròxim a Catalunya. De la seva producció literària només resta el llibre inacabat Guillem de Varoic (adaptació d’una versió en prosa, francesa o anglesa, del vell poema francès Gui de Warwick), que constitueix una mena d’esbós dels 39 primers capítols de la seva obra principal, Tirant lo Blanc, que ha pervingut continuat per Martí Joan de Galba. És possible que també sigui l’autor d’una altra novel·la cavalleresca, Flor de cavalleria, de la qual només resta el començament.