หลังจากจบการศึกษาจาก Widener แล้ว Martelli ก็ได้เป็นผู้ช่วยโค้ชให้กับ Widener (1976-77) ในฤดูกาลถัดมา เขาได้เป็นหัวหน้าโค้ชที่โรงเรียนมัธยม Bishop Kenrick ในเมืองNorristown รัฐเพนซิ ลเวเนีย Geno Auriemmaโค้ช ผู้ที่จะได้รับการบรรจุชื่อใน หอเกียรติยศบาสเกตบอลในอนาคตเคยเป็นผู้ช่วยโค้ชของ Martelli เป็นเวลาหกปี เขายังคงทำกิจกรรมการกุศลในชุมชน Norristown ต่อไปอีกหลายทศวรรษหลังจากที่เขาเลิกเป็นโค้ชที่โรงเรียนมัธยมที่นั่น^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

มาร์เทลลีเริ่มต้นอาชีพของเขาที่ฮอว์กฮิลล์กับทีม SJU ในการแข่งขัน NCAA Tournament ปี 1985–86ในฐานะผู้ช่วยโค้ชภายใต้จิม บอยล์ [ ^{8 ] [ 11 ] ใน}ช่วงทศวรรษที่เขาเป็นผู้ช่วยโค้ช เขาเป็นส่วนหนึ่งของทีมฮอว์กส์ในการแข่งขัน NIT ในปี 1992–93 และ 1994–95 หลังจากเป็นผู้ช่วยโค้ชภายใต้จิม บอยล์และจอห์น กริฟฟิน เป็นเวลา 10 ปี มาร์เทลลีได้รับการแต่งตั้งให้เป็นโค้ชคนที่ 14 ในประวัติศาสตร์ของโรงเรียนเมื่อวันที่ 20 กรกฎาคม 1995 ^{[ 12 ]}และเป็นเพียงคนที่สามที่ไม่ใช่ศิษย์เก่าที่ได้เป็นโค้ชของโรงเรียน

ในฤดูกาลแรกของเขาในฐานะหัวหน้าโค้ช (1995–96) ทีมของเขาเข้าถึงรอบชิงชนะเลิศของการแข่งขัน NIT Tournamentแต่แพ้ให้กับเนบราสกา 60–56 ^{[ 13 ]}ในปีที่สอง ภายใต้การนำของจูเนียร์พอยต์การ์ดราชีด เบย์และความช่วยเหลือจากอาร์เธอร์ "ยาห์" เดวิส เทอร์เรล เมียร์ส และดิมิทรี โดมานี ทีมฮอว์กส์ของมาร์เทลลีคว้าแชมป์Atlantic 10 (A-10) และเข้าสู่ รอบ Sweet Sixteenของการแข่งขัน NCAAทัวร์นาเมนต์ เซนต์โจเซฟส์จบฤดูกาลด้วยอันดับที่ 12 ของประเทศ^{[ 14 ]}

พวกเขาจะไม่ประสบความสำเร็จเช่นนั้นอีกจนกว่าจะได้Jameer Nelson ผู้ที่จะได้รับรางวัล Naismith College Player of the Year ในอนาคต ^{[ 15 ] [ 16 ]}และอดีตผู้เล่น NBA อย่างDelonte WestและDwayne Jones [ ^{17 ] [ 18 ] ใน}ฤดูกาล 2000–01 ภายใต้การนำของMarvin O'Connorทีมมีสถิติ 26–7 และเข้าถึงรอบที่สองของการแข่งขัน NCAA โดย Nelson ได้รับรางวัล A-10 rookie-of-the-year ^{[ 19 ] [ 15 ]}ภายใต้การนำของ Nelson และ West ในฤดูกาล 2002-2003 ทีม Hawks มีสถิติ 23–7 แต่แพ้ในรอบแรกของการแข่งขัน NCAA ^{[ 20 ]}

โดยมีเนลสันเป็นพอยต์การ์ด มาร์เทลลีนำทีมฮอว์กส์ในฤดูกาล 2003–04 ไปสู่ฤดูกาลที่ดีที่สุดในประวัติศาสตร์ของโรงเรียน ฮอว์กส์ชนะรวด 27 เกมในฤดูกาลปกติ ฮอว์กส์แพ้ให้กับซาเวียร์ในการแข่งขันแอตแลนติก 10 ทัวร์นาเมนต์ และเข้าถึงรอบ8 ทีมสุดท้ายก่อนจะแพ้ให้กับโอคลาโฮมาสเตท 64–62 ทำให้จบฤดูกาลด้วยสถิติ 30–2 ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}นี่คือสถิติสูงสุดอย่างเป็นทางการที่เซนต์โจเซฟเคยทำได้ในทัวร์นาเมนต์นี้ ทีมปี 1960–61 เข้าถึงรอบ 4 ทีมสุดท้ายและชนะเกมชิงอันดับ 3 แต่สถิตินั้นถูกลบออกจากบันทึกเนื่องจากเรื่องอื้อฉาวเกี่ยวกับการพนัน^{[ 24 ]}ในปีนั้น มาร์เทลลีได้รับรางวัลโค้ชแห่งปีของวิทยาลัยเนสมิธและเนลสันได้รับรางวัลผู้เล่นแห่งปี^{[ 25 ]}ป้ายผ้าที่ยกย่องฤดูกาลที่สมบูรณ์แบบของเซนต์โจเซฟถูกแขวนไว้แล้วก็ถูกนำลงเนื่องจากกิจกรรมที่ชั่วร้ายของเดลอนเต้ เวสต์^{[ 26 ]} ในปี 2004–05 มาร์เทลลีนำทีมฮอว์กส์กลับไปสู่รอบชิงชนะเลิศของ NIT ซึ่งพวกเขาแพ้ให้กับเซาท์แคโรไลนา^{[ 27 ]}ในระหว่างฤดูกาล มาร์เทลลีชนะเกมที่ 235 บนฮอว์กฮิลล์ แซงหน้าแจ็ค แรมเซย์ ผู้ได้รับการยกย่องในหอเกียรติยศ ^{[ 28 ]} ขึ้นเป็นโค้ชที่ชนะมากที่สุด เป็นอันดับสองในประวัติศาสตร์ของโรงเรียน รองจากบิลลี่ เฟอร์กูสัน (ซึ่งมาร์เทลลีแซงหน้าในภายหลัง) ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

ในปี 2005–06 ฮอว์กส์กลับมาแข่งขันในรายการ NIT อีกครั้ง แต่สุดท้ายก็พ่ายแพ้ให้กับมหาวิทยาลัยฮอฟสตรา [ ^{32 ] ใน}ปี 2008 มาร์เทลลีนำทีมเซนต์โจเซฟส์เข้าสู่การแข่งขัน NCAA Tournament เป็นครั้งแรกนับตั้งแต่ปี 2004 โดยมีทีมที่นำโดยแพท คาลาเธสและอาหมัด นิวินส์ [ ^{33 ] ใน}ปี 2014 ฮอว์กส์กลับมาแข่งขันในรายการ NCAA Tournament อีกครั้งหลังจากคว้าแชมป์ Atlantic 10 เป็นครั้งที่สองภายใต้การนำของมาร์เทลลี โดยมีแลงสตัน กัลโลเวย์โรนัลด์ โรเบิร์ตส์และฮาลิล คานาเซวิชเป็น ผู้นำทีม ^{[ 34 ]}ฮอว์กส์พ่ายแพ้ในช่วงต่อเวลาพิเศษให้กับทีมคอนเนตทิคัต ฮัสกี้ส์ ซึ่งเป็นแชมป์ระดับชาติในปี 2013–14 ในรอบที่สองของการแข่งขัน^{[ 35 ] [ 36 ]}

ในปี 2550 หนังสือเล่มแรกของฟิล มาร์เทลลี ชื่อDon't Call Me Coach: A Lesson Plan For Lifeได้รับการตีพิมพ์^{[ 37 ]}นักศึกษาที่ SJU มักพูดว่า "เราเชื่อมั่นในมาร์เทลลี" เกี่ยวกับโค้ชบาสเกตบอลที่พวกเขารัก มาร์เทลลีมีรายการประจำสัปดาห์ในช่วงฤดูกาลบาสเกตบอลชื่อHawk Talkซึ่งพูดคุยเกี่ยวกับสถานะของมหาวิทยาลัยและทีมบาสเกตบอล^{[ 38 ]}

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2551 มาร์เทลลีได้เซ็นสัญญาขยายเวลากับเซนต์โจเซฟจนถึงฤดูกาล พ.ศ. 2558–2559 ^{[ 39 ]}

ในเดือนธันวาคม 2011 มีการอ้างถึงมาร์เทลลีในบทความบน SI.com ซึ่งอดีตผู้เล่น ท็อดด์ โอไบรอัน ได้เล่ารายละเอียดเรื่องราวในมุมมองของเขาเกี่ยวกับอดีตโค้ชที่แค้นเคือง โอไบรอันได้ยื่นขอการยกเว้นสำหรับนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา ซึ่งอนุญาตให้เขาย้ายไปเรียนต่อในระดับปริญญาโทในสาขาที่สถาบันเดิมไม่ได้เปิดสอน แต่ SJU ไม่ยอมให้เขาเล่น NCAA ปฏิเสธคำอุทธรณ์ของโอไบรอัน และ SJU ไม่สามารถแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับรายละเอียดของคดีได้ตามกฎหมาย มาร์เทลลีปฏิเสธที่จะปฏิบัติตามคำขอของโอไบรอันและยังคงให้เขาอยู่ในสัญญาด้วยเหตุผลที่ไม่เปิดเผย นักข่าวส่วนใหญ่มองว่ามาร์เทลลีไม่มีเหตุผลในเรื่องนี้เพราะแค้นเคืองโอไบรอัน^{[ 40 ]}

ด้วยชัยชนะเหนือมอร์แกนสเตทในปี 2011 มาร์เทลลีกลายเป็นโค้ชที่ชนะมากที่สุดตลอดกาลในประวัติศาสตร์ของเซนต์โจเซฟด้วยชัยชนะครั้งที่ 310 แซงหน้าบิลลี เฟอร์กูสัน^{[ 41 ]}

เมื่อวันที่ 25 ตุลาคม 2015 มหาวิทยาลัยเซนต์โจประกาศว่ามาร์เทลลีได้รับการต่อสัญญาอีกครั้ง (แม้ว่าจะยังไม่มีการเปิดเผยเงื่อนไขของข้อตกลงในทันที) ^{[ 42 ] [ 43 ]}เมื่อวันที่ 13 มีนาคม 2016 มาร์เทลลีคว้าแชมป์ A-10 เป็นครั้งที่สองในรอบสามปี โดยทีมฮอว์กส์เอาชนะ VCU ด้วยคะแนน 87–74 ในการแข่งขันชิงแชมป์แอตแลนติก 10 ประจำปี 2016 ^{[ 44 ]}

ฤดูกาลที่มาร์เทลลีชนะ 28 เกมในปี 2015-16 ^{[ 45 ]}จะเป็นฤดูกาลสุดท้ายของเขาที่มีทีมคุณภาพระดับทัวร์นาเมนต์ NCAA ^{[ 46 ]}ในช่วง 4 ปีถัดมา มาร์เทลลีต้องเผชิญกับทีมที่มีผลงานต่ำกว่า 500 เกมหลายทีม ในวันที่ 19 มีนาคม 2019 ผู้อำนวยการฝ่ายกีฬา จิลล์ โบเดนสไตเนอร์ ประกาศว่ามหาวิทยาลัยได้ปลดมาร์เทลลีออกจากตำแหน่ง เป็นการสิ้นสุดวาระการดำรงตำแหน่งหัวหน้าโค้ช 24 ปีของเขา^{[ 47 ]}

ตลอด 24 ปีในฐานะหัวหน้าโค้ช สถิติสุดท้ายของมาร์เทลลีที่เซนต์โจเซฟคือ 444–328 โดยคว้าแชมป์ลีกในฤดูกาลปกติ 6 ครั้ง แชมป์ทัวร์นาเมนต์ลีก 3 ครั้ง และเข้าร่วมการแข่งขัน NCAA ทัวร์นาเมนต์ 7 ครั้ง นอกจากนี้ทีมของเขายังเข้าร่วมการแข่งขัน NIT อีก 6 ครั้ง ชัยชนะหลังจบฤดูกาล 18 ครั้งของเขาเป็นจำนวนมากที่สุดในประวัติศาสตร์ของโรงเรียน มาร์เทลลียังแพ้เกมมากกว่าโค้ชคนใดในประวัติศาสตร์ของเซนต์โจเซฟ แซงหน้าสถิติการแพ้ 208 ครั้งของบิล เฟอร์กูสันใน 25 ฤดูกาล^{[ 48 ] [ 30 ] [ 49 ] [ 50 ]}

เมื่อวันที่ 3 มิถุนายน 2019 มาร์เทลลีรับตำแหน่งผู้ช่วยหัวหน้าโค้ช (รองหัวหน้า) ที่มหาวิทยาลัยมิชิแกน^{[ 51 ]}จูวาน ฮาวาร์ดหัวหน้าโค้ชคนใหม่ของมิชิแกนซึ่งไม่มีประสบการณ์การเป็นโค้ชในระดับวิทยาลัย ได้ขอให้มาร์เทลลีเข้าร่วมทีมงานของเขาเพื่อมอบประสบการณ์การสรรหานักกีฬาในระดับวิทยาลัยและประสบการณ์การแข่งขัน^{[ 52 ]}

เมื่อวันที่ 22 กุมภาพันธ์ 2022 มาร์เทลลีได้รับการแต่งตั้งให้เป็นหัวหน้าโค้ชชั่วคราวของมิชิแกน หลังจากที่โฮเวิร์ดถูกพักงานตลอดฤดูกาลปกติ 2021–22 ที่เหลือ เนื่องจากเขาเข้าไปมีเรื่องทะเลาะวิวาทกับทีมงานโค้ชของวิสคอนซินเมื่อจบเกมระหว่างสองทีม^{[ 53 ]}เขาพามิชิแกนไปสู่สถิติ 3–2 โดยชนะคู่ปรับอย่างมิชิแกนสเตท และโอไฮโอ สเตทอันดับ 23 ^{[ 54 ] [ 55 ]}

ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2566 มาร์เทลลีได้รับการแต่งตั้งให้เป็นหัวหน้าโค้ชรักษาการหลังจากโฮเวิร์ดเข้ารับการผ่าตัดหัวใจฉุกเฉิน^{[ 56 ]}โดยรวมแล้ว ในฐานะหัวหน้าโค้ชแทนโฮเวิร์ดที่มิชิแกน เขาทำผลงานได้ 8–7 ^{[ 49 ]}โฮเวิร์ดและทีมงานถูกไล่ออกเมื่อสิ้นสุดฤดูกาล พ.ศ. 2566–2567 ทำให้เป็นฤดูกาลสุดท้ายของมาร์เทลลีในฐานะผู้ช่วยโค้ชของมิชิแกน^{[ 57 ] [ 49 ]}