La chiesa nacque per iniziativa della "Confraternita di San Rocco", dedicata al santo di Montpellier e approvata nel 1499 da papa Alessandro VI. Al sodalizio religioso, nato per soccorrere gli ammalati di peste per iniziativa dei barcaioli e degli osti che vivevano presso il Tevere, venne concesso di costruire un ospedale in prossimità della antica chiesetta di San Martino iuxta flumen ("vicino al fiume") presente sin dal secolo XI. Il luogo è infatti posto molto vicino a un antico porto fluviale di Roma detto di Ripetta.
Subito dopo le esperienze fatte nel corso dell'anno santo del 1500, nel 1502 fu intitolata a san Rocco e san Martino e fu costruito l'ospedale che si arricchì, in un secondo momento di un reparto di ginecologia. La chiesa, priva di particolari ambizioni artistiche, fu completata con una decorazione interna, in parte opera di Baldassarre Peruzzi e la facciata fu affrescata con Storie di san Rocco dal pittore Avanzino Nucci.
Nel 1645 venne riportato alla luce un antico affresco raffigurante la Madonna, precedentemente ricoperto, e l'immagine fu ritenuta miracolosa. L'anno dopo si diede inizio alla ristrutturazione della prima chiesa, i cui lavori si conclusero nel 1654 per la munificenza dei cardinali Odoardo Vecchiarelli e Francesco Barberini. All'architetto Giovanni Antonio De Rossi si deve la sacrestia, la costruzione della cupola, l'inserimento della nuova cappella della "Madonna delle Grazie". L'interno, a navata unica e con tre cappelle su ogni lato, ricevette una nuova decorazione. Tra i dipinti si ricordano la Madonna con Bambino e i santi Rocco e Antonio abate di Baldassarre Peruzzi, ma estesamente restaurato da Giovan Battista Gaulli detto il Baciccio all'incirca nel 1660 a causa di estesi danni derivanti dai frequenti alluvioni e il grande dipinto di Giacinto Brandi San Rocco in gloria del 1674, posto sull'altare maggiore.
Nella prima metà del XVIII secolo le cappelle furono impreziosite da una decorazione in marmo, mentre la facciata venne realizzata in stile neoclassico dall'architetto Giuseppe Valadier nel 1832, con unico ordine di doppie colonne con capitelli corinzi al centro, affiancate da paraste con capitelli ionici, che sorreggono un grande timpano. Sul portale di ingresso si trova lo stemma di papa Gregorio XVI regnante all'epoca dei lavori.
