Cardinale di Santa Romana Chiesa del Titolo di Santa Cecilia. Membro della segreteria permanente del sinodo dei vescovi. Appartiene: al Consiglio dei cardinali e vescovi della Seconda sezione della segreteria di stato; alle Congregazioni per le chiese orientali, per il culto divino e la disciplina dei sacramenti, per gli istituti di Vita consacrata e le società di Vita apostolica, per l'educazione cattolica; al Pontificio consiglio della cultura e alla Pontificia commissione per i beni culturali della chiesa. E' presidente della Conferenza episcopale Lombardia e della regione ecclesiastica Lombardia. Membro del Consiglio permanente della Conferenza episcopale italiana.

Il giovane Martini, il 25 settembre 1944, entra nella Compagnia di Gesù, dove compie il curriculum di filosofia e teologia. Il 13 luglio 1952 viene ordinato sacerdote a Chieri (To). Qualche anno più tardi, nel 1959, consegue la laurea in teologia fondamentale alla Gregoriana di Roma, proseguendo poi gli studi in Sacra Scrittura, perfezionandoli anche all'estero. Il 2 febbraio 1962 pronuncia la solenne professione di fede e nello stesso anno gli viene assegnata la cattedra di critica testuale al Pontificio istituto biblico di Roma.

Nel 1964 cura una nuova edizione del Novum Testamentum graece et latine di A. Merk e diviene membro del comitato per la pubblicazione del The Greek New Testament che costituisce la base delle stimate ottocento versioni del Vangelo diffuse nel mondo; padre Martini è uno dei cinque editori, l'unico cattolico. Sempre nello stesso anno, il 29 settembre, è nominato rettore del Pontificio istituto biblico di Roma, carica che ricopre fino al 1978. Infatti, in questo anno, papa Paolo VI lo nomina Magnifico rettore della Pontificia università gregoriana. Il 29 dicembre del 1979 Giovanni Paolo II lo elegge alla cattedra episcopale di Milano e subito dopo, il 6 gennaio del 1980, viene consacrato vescovo, in san Pietro. Nel novembre del 1980, il vescovo Martini avvia, a Milano, l'esperienza della Scuola della Parola: il progetto consiste nell'aiutare il popolo di Dio ad avvicinare la Scritture attraverso il metodo della lectio divina. Il 2 febbraio 1983 il Papa lo crea cardinale con il titolo di Santa Cecilia. Dal 1984 al 1985 è presidente del comitato organizzatore del convegno ecclesiale di Loreto. Nel 1986, durante la sedicesima assemblea svoltasi a Varsavia, viene eletto presidente del Consiglio delle Conferenze episcopali europee (Ccee). Assume tale mandato durante la Pasqua del 1987 e lo mantiene fino al 1993.

Nel novembre del 1986, nel corso di un convegno diocesano sul tema Farsi prossimo, viene lanciata l'iniziativa delle scuole di formazione per un impegno sociale e politico sempre più ampio, iniziativa che verrà approfondita ed integrata con una serie di incontri sulle "domande di fede", rivolti a tutti coloro alla ricerca della fede. Il 17 gennaio 1989 riceve la laurea "honoris causa" dalla Pontificia università salesiana di Roma, per il suo programma pastorale sull'educare.

Nel 1997 presiede le diverse manifestazioni indette per celebrare il sedicesimo anniversario della morte di S.Ambrogio, patrono della diocesi di Milano. Nell'ottobre del 1999 partecipa come membro al Sinodo dei vescovi europei e, intervenendo, punta l'attenzione sullo strumento della collegialità, auspicandone un uso sempre maggiore: "Non si tratta di attendere a breve un Vaticano III, ma di utilizzare da subito altre forme concrete di collegialità, senza escludere l'ipotesi ardua ma non impensabile di un nuovo Concilio generale".

Il 27 ottobre 2000 riceve il premio Principe de Austrias in Scienze sociali a Oviedo (Spagna). Il 23 novembre 2000 viene nominato dal Papa Accademico onorario della Pontificia accademia delle scienze.

L’8 settembre 2001 in maniera inattesa annuncia che nel febbraio 2002 alla scadenza del mandato di Arcivescovo di Milano rimetterà lo stesso nelle mani del Papa. Dichiara: “Non ho mai fatto mistero al Santo Padre di voler andare a Gerusalemme a studiare e a pregare”.

In relazione all'intervento di Martini al sinodo, Lucio Villari ha detto: "Sono lieto della fermezza con cui il cardinale ha chiarito che il compito della Chiesa non è quello di interferire nella vita politica ma di fare un intervento culturale alto, teso a formare le coscienze".

Dice di lui Enrico Arosio sull' Espresso: "Il pastore d'anime cardinale Carlo Maria Martini ha conquistato il consenso tramite l'aura, il fascino personale. Sa comunicare emozioni".