Lange Jahre war er erst Assistent, dann Oberarzt an der II. Medizinischen Klinik der Universität München und habilitierte sich dort bei Friedrich von Müller, einem der führenden Internisten Deutschlands. Nachdem er 1926 zum a. o. Professor ernannt worden war, übernahm er 1927 als Chefarzt die medizinische Leitung des St. Hedwigs-Krankenhauses in Berlin.

Aus dieser Zeit in Berlin stammen wichtige Arbeiten zur therapeutischen Urteilsbildung und die erste Auflage seiner Monographie "Methodenlehre der Therapeutischen Untersuchung" 1932. Aus vielen seiner Schriften wird sein Ungenügen an der damaligen Form, wie man zu therapeutischen Empfehlungen kommt, ersichtlich. Auf einem breiten historischen Hintergrund begründet er seine objektive, "Begleitursachen" möglichst ausschaltende Methode der therapeutischen Urteilsbildung. Für ihn bestand ein Handlungsbedarf zu einer Neuordnung der medikamentösen Therapie, der verständlich wird, wenn man andere Stimmen vor allem der vorausgehenden Jahre kennt, in denen schon damals von einer nicht mehr zu übersehenden Arzneimittelflut die Rede ist. Sie hat ja schließlich auch 1911 zur Gründung der späteren Arzneimittelkommission der Deutschen Ärzteschaft geführt.

Paul Martini wurde 1932 auf den Lehrstuhl für Innere Medizin der Universität Bonn berufen und setzte hier als Direktor der Medizinischen Klinik, die damals auch noch die Neurologie zu versorgen hatte, seine therapeutischen Studien fort. Er war ein hochangesehener Kliniker seiner Zeit, dessen Verhalten in der Zeit des Nationalsozialismus bewirkte, dass er 1948 erster Nachkriegspräsident der Deutschen Gesellschaft für Innere Medizin wurde und in Wiesbaden den ersten Internistenkongress nach dem Krieg leitete. Er war ein gesuchter Arzt in Bonn, der viel politische Prominenz zu seinen Patienten zählte.

Paul Martini, dem zu Lebzeiten zahlreiche hohe Ehrungen zuteil wurden, verstarb am 08.09.1964 in seinem Jagdhaus in Galenberg in der Eifel.