Se construyó por orden del caballero Martín Fernández en el año 1103 y la dedicó a su patrón. Está situada entre Plaza Mayor y Plaza del Corrillo. Por este motivo el templo era conocido también como San Martín del Mercado.

El edificio medieval ha quedado prácticamente oculto desde el exterior por las obras realizadas entre los siglos XVIII y XIX y las edificaciones adosadas a lo largo de los siglos. Concretamente en el siglo XVIII fue necesario rehacer gran parte de las bóvedas del templo, por que se derrumbaron. También se reconstruyeron los dos tramos orientales de la nave, debido a un un incendio, que también destruyó el retablo mayor de Gregorio Fernández a principios del siglo XIX. 

El templo románico tenía tres puertas de acceso, dos de las cuales han quedado ocultas total o parcialmente por elementos barrocos. La que todavía podemos contemplar es la del lado norte. Está protegida por un gran arco apuntado y decorado con bolas.

Está formada por cuatro arquivoltas de medio punto, que se apoyan en tres parejas de columnas, que tienen sus capiteles ricamente esculpidos. En ellos se representan motivos vegetales, aves, arpías, dragones y otros animales fantásticos.

Las arquivoltas también están decoradas. La más interior y la más exterior tienen esculpidos motivos florales. La segunda arquivolta está decorada con lóbulos, similares a los que podemos encontrar en la puerta del obispo de la Catedral de Zamora.

Por encima de la puerta encontramos una imagen de San Martín, compartiendo su capa con un mendigo.

La puerta del lado oeste quedó oculta desde el exterior cuando se construyó la capilla de Nuestra Señora de los Dolores, de estilo barroco. Desde la capilla todavía se pueden observar parte de las seis arquivoltas que formaban la portalada. La más interior está decorada con flores de cuatro pétalos. También tienen motivos vegetales  la tercera, la cuarta y sexta arquivoltas. La quinta es quizás la más interesante de todas por estar decorada con elementos figurados como cabezas de animales, aves, guerreros y otros personajes, tanto femeninos como masculinos. También se pueden ver once de las doce figuras que representaban un calendario. Por último la sexta arquivolta presenta pequeños arcos de herradura apoyados en columnillas. En todas ellas todavía se pueden ver algunos fragmentos de policromía.

El templo tiene planta basilical de tres naves, acabadas en tres ábsides semicirculares, ocultos desde el exterior por edificaciones posteriores. Las naves están separadas por arcos formeros apuntados, que descargan su fuerza en ocho pilares cruciformes. Estos también sirven de apoyo a los nervios de las bóvedas de las naves. Las de la nave sur están muy deformadas debido a su gran peso. De hecho, ya en el siglo XIII, fue necesario reforzarlas para evitar su derrumbamiento. Pese a estas obras, en el siglo XVIII se hundieron prácticamente todas las bóvedas de la nave principal.

Los tres ábsides están precedidos de un tramo presbiterial cubierto por una bóveda de cañón apuntada. Se comunican entre ellos mediante arcos de medio punto. En el ábside sur encontramos un arco trilobulado apoyado en tres columnas: dos geminadas en la izquierda y una más gruesa en la derecha. Sus capiteles están decorados con motivos vegetales.

La mayoría de capiteles del templo son de tipo vegetal, si bien también se pueden encontrar algunos de tipo historiado.