No se’n coneix la data de la consagració, però és esmentada dins l’Ordinatio Ecclesiae Ilerdensis, el document promulgat pel bisbe restaurador Guillem Pere l’any 1168. L’edifici romànic és d’una sola nau, coberta amb volta de canó de perfil apuntat, reforçada per tres arcs torals, de perfil també apuntat, suportats per columnes semicirculars amb capitell, fust llis i base sobre un baix podi. La nau és capçada a llevant amb un absis semicircular, l’interior del qual és decorat amb set petits arcs de mig punt, suportats per sis pilastres de menor alçada que les columnes. Les pilastres suporten la volta absidal, de manera que l’espai dels arcs forma una mena de nínxols que articulen, de forma sumptuosa, el parament absidal. Elements posteriors són les capelles gòtiques a banda i banda de l’absis, formant una mena de transsepte. La de Sant Joan desaparegué durant la guerra dels Segadors i s’obrí durant el segle XIV; la de l’Assumpció de Maria data probablement del segle XV.
Fins al decret de Nova Planta, l’església de Sant Martí fou la capella de l’Estudi General de Lleida, i n’acollia els actes acadèmics i cerimonials. A causa d’aquestes funcions, fou ampliada amb les capelles gòtiques laterals. Tanmateix, des del 1648 restà abandonada i sense culte, i fou utilitzada amb finalitats diverses (a l’inici del segle XIX substituí la presó de la Paeria). Seguint l’exemple del bisbe Morgades, el 1892 el bisbe Josep Messeguer recuperà l’església del govern municipal i n’inicià la restauració, que tingué com a element principal la porta monumental, un portal d’una antiga ermita abandonada i mig enderrocada del poble del Tormillo (Osca) que substituí l’original, destruïda durant la guerra dels Segadors. La portalada fou restaurada l’any 2016. En 1982-83 unes excavacions identificaren l’existència d’una necròpolis, que estigué en ús des de la segona meitat del segle XII fins a l’abandonament de l’església com a lloc de culte.
Els anys setanta es construí en un espai contigu la nova església de Sant Martí, emprada com a lloc de culte. Actualment l’església romànica acull la col·lecció d’escultura en pedra del Museu de Lleida. Declarada bé cultural d’interès nacional (2016), l’any 2020 investigacions paleogràfiques de la Universitat Autònoma de Barcelona atribuïren el frontal d’altar romànic exposat al The Walters Art Museum de Baltimore (Estats Units) a un artista de nom Raimundus, actiu a Lleida a mitjan segle XIII. La pintura, amb quatre escenes de la vida de Sant Martí, fou sostreta de l’església per soldats francesos durant la guerra dels Segadors. Adquirida a París pel col·leccionista d’art Roger Fry, el 1914 passà a Henry Walters, fundador del museu de Baltimore, on el traslladà el 1931.