En el lugar actual de esta iglesia hay referencias sobre la existencia de una ermita desde el año 1148. A su alrededor creció un próspero barrio, el de la Chancillería, que sería daría lugar a la nueva iglesia románica, construida en el siglo XIII, siguiendo con seguridad el modelo de Santa María de la Antigua. El barrio siguió prosperando, y necesitó un templo mayor. Por ello se derriba la iglesia en 1588, pero se mantiene la torre. El arquitecto Diego de Praves traza el proyecto con nave cubierta con bóveda de cañón. Desde 1621 dirige la obra su hijo Francisco de Praves. La fachada se finaliza en 1721 con una imagen barroca de San Martín. En este templo se han bautizado ilustres vallisoletanos, entre los que podemos destacar el caso del dramaturgo José Zorrilla, en el año 1817. Igualmente, el gran escritor Francisco Umbral se casó en esta iglesia.