Когда Климент V переместил из Рима в Авиньон папскую резиденцию, многие итальянские мастера последовали за ним.
Два сонета Петрарки, написанных 4 ноября 1336 года, подтверджают, что ок. 1336 г. Симоне Мартини также переселился в Авиньон. Он прибыл в город со своей семьей и помощниками, чтобы принять участие в росписи только что построенного Папского дворца. Возможно, художнику покровительствовал один из итальянских кардиналов, вероятно, Якопо Стефанески, по заказу которого он расписал авиньонскую церковь Нотр-Дам-де-Дом.
От выполненных в Авиньоне фресок сохранились лишь несколько синопий тимпанов собора – предварительных эскизов для фресок, которые наносили на первый слой штукатурки.
Не смотря на то, что они дошли до наших дней в плохом состоянии, синопии демонстритуют високий уровень майстерства художника:
- «Благословляющий Христос» - синопия для фрески тимпана,
- «Мадонна дель Умильта», или «Мадонна Смирения» - синопия для фрески люнета.
Свою версию о причине переезда Мартини в Авиньон выдвигает Вазари:
«... в рисунке Симоне не был весьма превосходным, но обладал от природы изобретательностью и очень любил рисовать с натуры; в этом он признавался лучшим мастером своего времени настолько, что синьор Пандольфо Малатеста послал его в Авиньон, чтобы сделать портрет мессере Франческо Петрарки, по просьбе коего он затем с такой для себя славой выполнил портрет мадонны Лауры».
Симоне Мартини выполнил портрет Петрарки и его прославленной Возлюбленной - Лауры, которые были утрачены,
но сохранился выполненный художником фронтиспис Виргилия - любимой книги Петрарки.
В поздний период, во время пребывания в Авиньоне, художник достиг вершины своей славы, Папская курия в Авиньоне в 1340 г. даже признала Симоне и Донато Мартини официальными представителями сиенской церкви, хотя они не были духовными лицами.
Последнее сохранившееся до наших дней работ Симоне Мартини -
картина «Святое семейство», или «Возвращение Христа к своим родителям», датированная 1342 г.
Спустя 3 года художник умер, оставив несколько незавершенных проектов, которые заканчивал, в основном, Липпо Мемми.
«... побежденный тяжким недугом, отошел из жизни сей в 1345 году, к величайшей скорби всего города и Липпо, его брата, который соорудил для него достойную усыпальницу в Сан Франческо... Над гробницей Симоне находится следующая эпитафия: Simoni Memmio pictorum omnium omnis aetatis celeberrimo. Vixit ann. LX. Mens II d. III. - Симоне Мемми, из всех художников всех времен знаменитейшему. Жил 60 лет, 2 месяца, 3 дня» Вазари.