Après des études classiques, Jean-Louis Martinoty se fait connaître comme essayiste et journaliste. C'est en collaborant avec Jean-Pierre Ponnelle qu'il découvre l'opéra.

Depuis 1975, il signe des mises en scène couvrant l'ensemble du répertoire sur de nombreuses grandes scènes internationales (Mozart, Wagner, Verdi, Boïto, Moussorgsky, Strauss...).

Parallèlement, il se voit régulièrement confier des oeuvres baroques, de Monteverdi à Salieri, en passant par Cavalli, Charpentier, Lully - dont Alceste, en ouverture du cycle Lully monté par le Théâtre des Champs-Elysées en 1991 - Haendel et Rameau. Quatre saisons de suite, il est récompensé par le Prix de la Critique pour la meilleur production française d'opéra. Il a souvent travaillé avec des plasticiens, tels que Adami, Arman, Brissot, Dado, Debré, Barcelo, etc.

De 1986 à 1989, il est administrateur général de l'Opéra de Paris. Il s'intéresse tout particulièrement au domaine du cinéma et écrit pour Jean-Pierre Ponnelle la plupart des scénarios de ses films d'opéra (dont Les Noces de Figaro, Madame Butterfly, Titus et Carmina Burana ). Par ailleurs, il réalise lui-même Pasticcio de Haendel et deux films sur le maniérisme italien. En projet, un film sur Amours Interdites d'après Mishima. Enfin, il se consacre également à l'écriture au travers de deux ouvrages: L'opéra baroque (Fayard) et L'opéra imaginaire dans la littérature (Messidor).

Ces dernières années, outre de nombreuses reprises, il a signé la mise en scène du Ring, dont il a également conçu les décors (Karlsruhe, 1994-1995), de Boris Goudounov (Bordeaux et Montpellier) et de L'Argia de Cesti au Théâtre des Champs-Elysées en octobre 1999. Il vient de monter Carmen à l'opéra de Bonn, et Les Noces de Figaro de Mozart au Théâtre des Champs-Elysées pour lesquelles il a reçu le Prix de la meilleure production lyrique de l'année. On le retrouvera en Mars à Paris, pour Opera Seria de Gassmann, monté récemment à Berlin.