Après des études de Lettres classiques et de violoncelle, Jean-Louis Martinoty devient essayiste, journaliste, puis homme de radio et critique musical au journal L’Humanité. C’est ainsi qu’il découvre l’opéra et rencontre Jean-Pierre Ponnelle, dont il devient l’assistant. Il fait ses débuts de metteur en scène à Strasbourg, en 1975, avec Le Songe d'une nuit d'été de Britten et La Périchole d'Offenbach. Il réalise ensuite de nombreuses mises en scène d’opéras baroques, Ses mises en scène du Couronnement de Poppée avec Jean-Claude Malgoire et de David et Jonathas de Marc Antoine Charpentier reçoivent le Grand prix de la critique. Il met en scène les grands ouvrages du répertoire (Carmen, Boris Godounov, La Traviata, Madame Butterfly…), dont de nombreux opéras de Mozart (La Clémence de Titus, Les Noces de Figaro, Don Giovanni …) et collabore avec des compositeurs contemporains (Peter Maxwell Davies, Nguyen Thien Dao). Le 12 février 1986, il est nommé administrateur de l’Opéra de Paris, après la démission de son prédécesseur Massimo Bogianckino, élu maire de Florence.
Son mandat, qui s’achève en 1989, est notamment marqué par l’entrée au répertoire des deux opéras de Leoš Janáček, produits en parallèle, en 1988, au Palais Garnier (Kátia Kabanová) et à la salle Favart (De la maison des morts). Trois opéras seront créés sur la scène du palais Garnier : La Célestine de Maurice Ohana, Doktor Faust de Busoni et Le Maître et Marguerite de York Höller. De nouvelles pièces font leur entrée au répertoire du Ballet de l’Opéra de Paris : Grande Fugue de Hans van Manen, The Leaves are fading d’Antony Tudor, Sans armes, citoyens ! de Rudi van Dantzig, As Time Goes by et Rules ot the Game de Twyla Tharp. En janvier 1987, il programme à l'Opéra-Comique, Atys de Lully mis en scène par Jean-Marie Villégier et dirigé par William Christie. Cette production est à l’origine du renouveau du baroque en France. Passionné d’art contemporain, Jean-Louis Martinoty initie également les « Cartes blanches », spectacle global monté autour d'un artiste peintre ou d'un plasticien (Karel Appel, Paul Jenkins, Arman, Bernar Venet), et collabore avec des peintres ou plasticiens comme décorateurs (Arman, Debré…). Ses productions sont encore régulièrement mises en scène dans les principales maisons d’opéra européennes.