L’església parroquial de Sant Martí és situada a la part alta de la vila, just al costat del castell. Un dels primers esments documentals d’Altafulla data de l’any 1060, quan la seva fortalesa, consignada com a castro Altafolia, és mencionada com a límit territorial de la part de llevant del puig d’Ullastrell, el qual fou donat en aquella data pels comtes de Barcelona Ramon Berenguer I i Almodis a Bernat Amat de Claramunt i a la seva muller Arsenda, en propi alou.
Malgrat que una de les citacions més antigues del lloc correspon, com s’ha dit, a l’any 1060, la seva església parroquial, dedicada a sant Martí, bisbe de Tours, no figura escripturada fins l’any 1194 com a ecclesiam de Altafolia, en la butlla de confirmació de béns i privilegis atorgada pel papa Celestí III a l’església de Tarragona. Tanmateix, cal tenir en compte queia parròquia d’Altafulla va néixer en deslligar-se de la parròquia de Tamarit, l’única església parroquial d’aquella contrada citada en la butlla que el papa Anastasi II va adreçar a l’arquebisbe de Tarragona, Bernat Tort, l’any 1154. D’aquestes dades es dedueix, doncs, que el seu origen se situa en una data indeterminada entre l’any 1154 i el 1194. Així mateix, hom sap que tenia com a sufragània l’església de Santa Maria Magdalena de la Nou de Gaià, integrada dins el seu terme territorial.
D’altra banda, segons indica la relació de les parròquies que contribuïren a satisfer la dècima recaptada els anys 1279 i 1280, el rector d’“Altafolio” o d’“Altafollia” satisfeu la quantitat de 45 sous.
Al final del segle XV la parròquia d’Altafulla era de col·lació de l’arquebisbe de Tarragona i continuava mantenint com a església sufragània la de la Nou de Gaià.
L’església parroquial de Sant Martí, malgrat haver tingut un primitiu edifici d’època romànica, tal com apunta la documentació, fou totalment refeta al segle XVIII aprofitant alguns materials del temple medieval. La primera pedra del nou edifici, l’actual, segons un inventari del 1925, fou beneït l’any 1701, i un cop acabat fou també beneït l’any 1705. Es tracta d’una església d’estil neoclàssic, de planta de creu llatina, amb tres naus i un creuer coronat per una cúpula octogonal. La façana, a banda de la porta, té una fornícula amb l’estàtua de sant Martí de Tours i una rosa; el conjunt és coronat per una espadanya, la qual, abans de la Guerra Civil Espanyola, contenia una campana fosa a Altafulla l’any 1722. A la dreta de la façana s’alça el campanar, inacabat, de planta i tres cossos, el darrer dels quals és vuitavat. Malgrat els desperfectes que sofrí durant la Guerra Civil Espanyola, encara conserva l’ornamentació i el revestiment de l’any 1773. Conserva un conjunt d’altars del segle XVIII força interessants; el de sant Isidre, del 1705, i daurat el 1734; el de sant Sebastià, del 1716; el de la Mare de Déu del Carme, del 1717; el del Santíssim Sagrament, constituït per un retaule barroc del 1745, obrat per l’escultor Josep Vila de Reus i daurat pel vallenc Francesc Morales, on també es conserven uns quadres atribuïts a Viladomat, i per últim l’altar major, que fou construït el 1787.