Le origini della chiesa di San Martino sono incerte, ma si può collocarne la fondazione nella metà dell'VIII secolo presso quelle che erano anticamente dette isole Gemini. L'intitolazione a San Martino di Tours fa pensare alla presenza di una colonia di Longobardi, particolarmente devoti alla sua figura, oppure a dei fuggiaschi ravennati, in riferimento al patrono di una loro basilica. La tradizione, invece, ne fissa l'erezione alla fine VI secolo, o altrimenti al VII, e ne attribuisce la ricostruzione alle famiglie Vallaresso e Salonigo. Le cronache dicono che l'edificio fu concluso nel 932 e consacrato nel giugno dello stesso anno. Le forme dell'edificio originario restano sconosciute, in quanto la chiesa ha subito nel tempo vari restauri. Una prima rifabbrica fu realizzata fra il IX e il X secolo, quando essa assunse lo stile veneto-bizantino, tipico dei luoghi di culto dell'epoca.
L'attuale costruzione risale al Cinquecento, su progetto di Jacopo Sansovino. L'architetto ruotò l'intera struttura di novanta gradi e le diede una pianta quadrata, aggiungendo due cappelle a ogni lato e il presbiterio con soffitto a volta. Quest'ultimo fu poi affrescato da Domenico Bruni, con prospettive architettoniche che si connettono a una più tarda Gloria di San Martino di Jacopo Guarana.
All'interno della chiesa va citato anzitutto il parapetto dell'organo, opera del Nacchini e restaurato dal Callido, ornato della Cena di Cristo di Gerolamo Santacroce (1549). Sul primo altare a destra è posta la pala Santa Cecilia e San Lorenzo Giustiniani di Giovanni Segala.
Al centro della parete di destra spicca il monumento funebre al doge Francesco Erizzo, progettato da Mattia Carnero (1633). L'altare successivo, andando verso il presbiterio, reca la tela Sacra Famiglia con San Marco e il vescovo Foca di Giovanni Laudis. Sul terzo altare trova posto la Madonna Addolorata di Palma il Giovane, affiancata da Tre angeli che recano i simboli della passione e Deposizione di Cristo dello stesso autore.
Il presbiterio ospita due affreschi di Fabio Canal: il Sacrificio di Abramo e il Sacrificio di Melchisedec. L'altare maggiore, con il tabernacolo marmoreo, è isolato dal resto della struttura; dietro si trova un piccolo coro con i dipinti Cristo Flaggellato e Cristo condotto al Calvario.
Passando alla parete destra e procedendo verso il portale, si nota anzitutto un dipinto settecentesco con Sant'Agata, Santa Lucia e Sant'Orsola, quindi il pulpito di Sebastiano Messenali (1752) e il piccolo altare di Tullio Lombardo, ora usato come battistero e proveniente dalla demolita chiesa del Santo Sepolcro. Segue una tela di Gerolamo Santacroce, Cristo risorto e quindi, sulla parete a sinistra dell'ingresso, la tela di Matteo Ponzone con San Giovanni nell'atto di scrivere l'apocalisse.
