À l’origine, la dénomination Saint-Martin-des-Champs était celle d'un ancien prieuré dont le territoire couvrait une bonne partie de l’actuel 3^e arrondissement, mais aussi le secteur de l'actuelle église, dans le 10^e. Cependant, au moment de la Révolution, ce prieuré devient le Conservatoire national des arts et métiers.

C'est la raison de la construction, entre 1854 et 1856, de l'actuelle église, bâtie sur une parcelle des terres de cet ancien prieuré. Quant à ce nom champêtre, il a varié : Saint-Martin-de-Tours, Saint-Martin-des-Marais, et depuis 1921 Saint-Martin-des-Champs.

Saint-Martin-des-Champs est la dernière des églises provisoires bâties sous le Second Empire, alors que Paris connaissait les incessants travaux du baron Haussmann. L'édifice fut construit en pan de bois et était prévu pour durer une trentaine d’année, avant d’être rebâti place du Château d’Eau (l'actuelle place de la République). L'église ne sera finalement jamais déplacée et ce qui devait être provisoire sera pérennisé. Elle est ainsi un témoin architectural intéressant.

L'église provisoire est due à l'architecte Paul Gallois, qui réalisa le chantier au début du Second Empire, entre 1854 et 1856. En 1868, elle est rachetée par la Ville de Paris, qui y réalise d'importants travaux.

À la fin du XIX^e siècle, une vaste campagne de décors peints sur l'ensemble des élévations intérieures est effectuée, et des tableaux sont commandés pour décorer les bas-côtés. Ainsi, dans le chœur, on trouve des chapiteaux en bois polychromes entourant l'orgue de Louis Suret et Aristide Cavaillé-Coll, lequel est inhabituellement placé dans l'axe de la nef. Des arcades, surmontées de chapiteaux en stuc, surplombent des peintures murales représentant le cycle de la vie de saint Martin. Ces fresques sont les œuvres du peintre Félix Villé. Deux autres, situées dans le chœur, sont dues au peintre Henry Lerolle, et furent présentées lors de l’Exposition nationale des Beaux-Arts de 1890.

En 1895, une première surélévation de la façade principale et des bas-côtés de l'église est réalisée par l'architecte Henri Zobel, avec une structure en pan de fer, et en 1933, l'agrandissement de l'église se poursuit sous la direction de l'architecte Fernand Vaudry, qui fait ajouter un clocher en béton au-dessus de la porte principale.

Bois, métal, béton… l'ensemble constitue un élément patrimonial remarquable en raison de ces modes de construction, ainsi que par les décors peints à l'intérieur de l'édifice.

Malgré des travaux d'entretien réguliers, l'étanchéité du bâtiment appelait à être revue, tandis que la stabilité de la première travée de la nef devait être renforcée. C'était d'ailleurs la raison d'être du filet de sécurité qui avait été posé à l'intérieur, sous la voûte centrale.

Le chantier consiste donc en une restauration globale du clos et couvert de l'église : les façades à pan de bois et pan de fer, la réfection des couvertures en zinc, la restauration des charpentes, des décors peints et des vitraux, ainsi que le remplissage des façades en pan de bois par du béton de chanvre.

Démarré au mois de décembre 2020, ce chantier doit se terminer au printemps 2022. Son coût total est de 5,5 millions d'euros.