De oorsprong van de Sint-Maartenskerk gaat terug tot in de 7e eeuw. Omstreeks 650 werd een eerste kapel gebouwd, hoogstwaarschijnlijk toegewijd aan Sint-Maarten, de patroon van de Franken. Historisch is het niet uitgesloten dat Sint-Elooi, bisschop van Doornik, deze kapel liet bouwen. Hij werd geboren te Limoges. Als ervaren edelsmid stond hij ten dienste van het Frankisch vorstenhuis, maar volgde zijn roeping en werd priester en daarna bisschop te Doornik. Sint-Elooi wordt beschouwd als één van de belangrijkste bekeerders van Vlaanderen. Hij overleed in 665.
Bij de invallen van de Noormannen in 850 en 879 werd die eerste kapel waarschijnlijk verwoest. Over de periode vóór de 12e eeuw is echter weinig met zekerheid bekend. Wel werden er funderingen van een andere kerk onder het huidig gebouw gevonden. Uit een onderzoek is gebleken dat de driezijdige koorsluiting in steen gemetseld werd. Ook de funderingen voor een altaar werden teruggevonden. Het metselwerk bestond uit Doorniks grijs blauwsteen, met gedeelten in baksteen met zeer harde grijze mortel gemetst. Mogelijk dateert deze fundering uit de 13e eeuw. Waar vroeger de oude kerk stond werd omstreeks 1270-1280 een grote gotische kerk gebouwd. Het noordelijk deel van het koor, twee bogen en 3 pijlers bleven behouden tot na de brand van 1862.
In deze tijd werd de Sint-Maartensparochie reeds bediend door twee pastoors die verantwoordelijk waren voor de stad binnen de poorten en ook voor Kortrijk-Buiten. In 1382, na de slag van Westrozebeke, werd het gebouw samen met een groot deel van de stad, door de Fransen verwoest en grotelijks door het vuur vernietigd. Vóór de brand had de kerk een basilieke vorm met een hoger opgetrokken middenbeuk en een eigen luchtinval bovenaan. Men vermoedt dat na 1382 de hoge muren werden afgebroken, waardoor de drie beuken even hoog werden. Men spreekt hier dan ook ten onrechte van een "hallenkerk" daar de zijvensters relatief smal zijn en de benedenkerk veel te duister uitvalt. Deze verbouwingswerken duurden tot in 1466. Met de stenen van het puin, die door de stad waren aangekocht, werd de graanmarkt in het begin van de 15e eeuw gekasseid. In 1412 werden de altaren van de nieuwe kerk ingewijd. De stadsmagistraat bood op 4 februari twee kannen wijn aan "eenen bisscop die van mijns heeren weghe van Dornicke te Curtrike quam om outare te wiene". Dit is een bewijs dat in 1412 het koor reeds afgewerkt was. Reeds vóór de 13e eeuw moet er in een krocht onder het hoogaltaar een "Kelderke Gods" aanwezig geweest zijn. Deze kelder was via trappen onder het altaar bereikbaar. De voorstelling van het H.Graf werd naderhand overgebracht naar het altaar van Sint-Pieter, op het einde van de 17e eeuw naar het altaar dat toegewijd was aan Sint-Anna. In het begin van de 19e eeuw werd het H.Graf opnieuw overgeplaatst, ditmaal naar het altaar van Sint-Barbara. Momenteel kan men het H.Graf ten oosten van de dwarsbeuk bezichtigen, waar een hoog torentje met hoge vensters werd gebouwd voor de voorstelling van de overleden Christus met een beeldengroep in terra cotta (gebakken aarde) In 1413 werd de noordelijke kapel bijgebouwd, evenals de romp van de toren die slechts in 1439 volledig afgewerkt was. Wellicht was er vóór de 15e eeuw een klein torentje boven de viering.
In de jaren 1415-1439 werd het kleine transept aangebouwd, waar de altaren van Sint-Elooi en Sint-Jacob in de zuidelijke en deze van Sint-Katharina en Sint-Antonius in de noordelijke transeptarmen geplaatst werden.
In 1458 werd de noordelijke arm van het grote transept afgewerkt. De altaren werden toegewijd aans de H.Barbara en aan Sint-Martinus. De altaren van Sint-Jan en Sint-Crepinus werden in de zuidelijke transeptarm, die een achttal jaren later opgetrokken werd, geplaatst.
In 1466 werd een nieuw tabernakel gebouwd, dat tot de beeldenstorm bleef bestaan. Aan het baptisterium werd van 1472 tot 1476 gebouwd. In 1519 werd het uurwerk samen met de beiaard van de oude Halletoren overgeplaatst naar Sint-Maartens. Reeds na enkele decennia bleek deze beiaard versleten te zijn, en plaatste men in de jaren 1546-48 een nieuw exemplaar. In 1594 schonken de wethouders van de stad de ijzeren afsluiting, die vroeger in de kapel van het stadhuis diende, om er het H.Sakramentshuisje (1585) mee te omringen.
De laatste kapel, toegewijd aan Sint-Anna, werd in 1514 afgewerkt. Zo had de Sint-Maartenskerk in de 16e eeuw wel 22 kapelanijen, waarvan de altaren gewijd waren aan een bepaalde heilige. Onder kapelanij verstaat men de stichting door levenden of testament waardoor een kapelaan de H.Mis moest opdragen voor de stichters, dit op bepaalde dagen. De grote ingangspoort werd in de periode 1592-1595 gebouwd ter vervanging van deze uit 1520.
In 1601 werd, tijdens het bewind van de aartshertogen Albrecht en Isabella, de middentoren opgericht naar een ontwerp van architect Persyn.
De vier kleine torens boven de hoeken van het gemetselde deel van de toren werden in 1606 geplaatst.
Tijdens deze eeuw werd ook veel belang gehecht aan de verfraaiing van het interieur. Zo werd in 1655 een nieuwe preekstoel voor de kerk vervaardigd.
Een nieuw doksaal stond in de kerk sinds 1612, terwijl het orgel zestien jaar later ingewerkt werd. Het eerste orgel van de kerk dateerde waarschijnlijk van het jaar 1500.
In 1686 werden de gewijde vaten gestolen en teruggevonden in een vijver in de omgeving van Gent. Twee van de dieven werden op de Korenmarkt de rechterhand afgekapt, waarna zij levend verbrand werden aan de schandpaal. De derde dief werd met een koord opgehangen.
In 1736 kreeg het koor een balustrade in zwarte en witte marmer, terwijl nog geen twintig jaar later rond de doopvont een ijzeren balustrade geplaatst werd.
In 1738 werd het uurwerk samen met de beiaard vernieuwd en uitgebreid met 42 nieuwe klokken en klokjes. In 1761 werd de sakristie gebouwd.
Ca.1797 richtten de Franse revolutionairen in de kerk een magazijn in voor "haver en hooy". Door het Concordaat van Napoleon, vier jaar later, kon de kerk weer voor de openbare eredienst gebruikt worden.
Op 7 augustus 1862 werd de toren samen met het koor door een bliksembrand verwoest. Zo verdwenen samen met het uurwerk en de beiaardklokken ook het doksaal en het orgel in de vlammen.
Acht jaar later werd het koor onder leiding van architect Leopold de Geyne volgens het 17e eeuwse model herbouwd. Het koor werd hierbij tot 20 m verhoogd.
De oostpartij met vier koren werd gesloopt en neogotisch herbouwd, o.l.v. arch. P.N.Croquison (Kortrijk), waarbij het koor en de zijbeuken naar het oosten toe werden verlengd en aan de noordzijde een H.Sacramentskapel werd opgericht.
Constant Devreese herstelde het portaal van 1882 tot 1885. In 1893 werden rond het koor en de doopkapel sierlijke smeedijzeren hekkens in neo-rococo geplaatst. Ze werden in 1956 verwijderd en een gedeelte werd verplaatst naar de linkerkruisbeuk.
Tijdens de eerste wereldoorlog fungeerde de kerk als 'Evangelische Garnisonkirche". In oktober 1918 werd de toren door beschieting zwaar beschadigd. In 1958 werd tegen de oostelijke muur van de noordertranseptarm een neobarokke kapel gebouwd. De beiaard werd in 1974 volledig vernieuwd. De jongste restauratie van de kerk werd in 1978 aangevangen.o.l.v. arch.Luc Allaert (Kortrijk),die tussen 1958 en 1968-69 al kleinere herstellingen uitvoerde.