La Chiesa di San Martino viene citata per la prima volta, come già esistente, in un documento del 1233 in cui un certo Francesco da Fossano cedeva alle monache Umiliate "de Sancti Martiri" delle case poste lungo la via Morazzone perchè ne facessero la nuova sede del convento che rimaneva separato dalla chiesa da un piccolo appezzamento di terra. Nel corso del 1400 la chiesetta, romanica e più piccola dell'attuale, fu decorata all'esterno con archetti in cotto, di cui se ne vede traccia sul lato di via Dandolo, e in facciata con due affreschi, San Martino e San Cristoforo, ora scomparse; tracce del secondo furono strappate e poste in Battistero nel restauro degli anni '70. Fu San Carlo chenelle sue visite del 1568 e del 1574 ordinò di acquisatre la terra che separava il convento dalla chiesa per poter unire i dueedifici, affinchè le monache potessero presenziare alla Messa senza uscire dall'edificio.Il convento si addossò alla chiesa sui lati nord e sul lato est ( dietro all'altare).

In quell'occasione la cronaca ci dice che si "sgrandì" la chiesa; il tetto fu alzato a livello attuale e si aprirono i finestroni; sul lato nord, a fianco della sacrestia, ben più grande dell'attuale, si aprì una porta, detta comunichino, attraverso cuui le suore ricevevano la comunione; si costruì l'altare attuale in marmo nero e colorato con i due reliquiari a fianco e, dietro di esso, separato dalla chiesa da un muro e da una grata, un piccolo oratorio per le suor, ora andato distrutto.

Nel 1600 fu terminato il campèanile, di cui oggi non vi rimane traccia e vi si pose una campana fusa e benedetta in San Vittore. Nel corso del XVII secolo il monastero crebbe di importanza, vi si trovano, come suore, ragazze delle famiglie varesine più in vista, che arricchiscono il convento con le loro doti; nel 1774 il convento ospitava 58 sorelle e per questo era il convento più numeroso della città.

E' nel 1722-23 che la chiesa fu decorata come possiamo ammirare oggi, alla sua decorazione lavorarono i principali artisti varesini del tempo: nel 1722 i fratelli Giacomo e Antonio Francesco Giovannini (attivi a Varese tra il 1717 e il 1735) affrescarono le architetture illusiionistiche in cui erano specializzati. Notevole è quella della volta del presbiterio di cui Giovanni Antonio Speroni, capomastro dei lavori, relizzò gli stucchi; il Magatti dipinse la volta con la Gloria di San Martino, la cappella delle monache che ora è distrutta; nel presbiterio affrescò i quattro Angeli che reggono in mano i simboli della Messa: turibolo, incensiere, brocca e messale (ora quasi scomparsi) e, nei pennacchi della volta, quattro affreschi monocromi con scene della vita di San Martino ( San Martino soldato fa l'elemosina ai poveri; San Martino resuscita un morto; San Martino vescovo abbatte gli idoli; San Martinoprega i Santi Pietro e Paolo - questa scena npon fa parte della storia del Santo e probabilmente è stata inserita pe runa devozione personale dei donatori dell'affresco).

La Gloria di San Martino è una delle prove migliori del Magatt: la composizione si snoda in quattro gruppi di figure: quello principale è formato da San Martino in abiti vescovili, che protende una mano al cielo; ci sono poi tre gruppi di angeli: uno con strumenti musicali, uno coni simboli della vita del soldato, e uno coni simboli della vita sacerdotale.

Nel 1723 Francesco Maria Bianchi, figlio di quel Salvatore Bianchi che affrescò l'abside di San Vittore, dipinse i quadroni sui lati della navata: il martirio di San Bartolomeo sul lato sinistro, e il Martirio di san Lorenzo sul lato destro.

Le monache furono così soddisfatte del lavoro che sulla controfacciata, sopra il portale d'ingresso, all'interno di motivi architettonici prospettico-illusionistici, fece dipingere la scritta " Christum martinus utrumque virgines sponsae spolio suo exornarunt - 1723" (martino rivestì Cristo e vergini spose adornarono uno e l'altro a proprie spese - 1723), parte della scritta è ora scomparsa.

Nelpresbiterio si aprela porta di quanto rimane della sagrestia originaria, incorniciata da un affresco con architetture a tromp l'oeil e una scena monocroma di un santo, forse San Martino, in estasi davanti alla Vergine.

All'interno della sagrestia sopravvive, dell'antica decorazione, un piccolo affresco con fiori e foglie  e un cartiglio con la scritta  "Benefecit sacrario  ut a sacerdotibus retribuerunt - 12 novembre 1722" ( Beneficò la chiesa così da avere ricompensa dai sacerdoti), recuperati dal recente restauro.

Nel 1798, durante la Repubblica Cisalpina, il convento fu chiuso, le monache sciolte dai loro voti e allontanate; le proprietà del convento vendute al conte Vincenzo Dandolo che, sul terreno del giardino, fece costruire dal Pollak una villa, Villa Selene (che è nella seconda metà di via Morazzone); gli edifici del convento furono prima trasformati in abitazioni e infine demoliti.

La chiesa, sopravvissuta alla soppressione del convento, venne utilizzata prima come deposito militare, poi come fienile.

Nel 1855, un incendio scoppiato per il fieno provocò gravi danni agli affreschi, danni che furono riparati nel 1858 con un restauro promosta dal Prevosto crespi e la chiesa tornò al culto.

Un nuovo restauro fu promosso nel 1932 dal canonico Don Tognola e infine, l'ultimo del 1969-70 adeguò l'edificio alle nuove norme emanate dal Concilio Vaticano II.

La balaustra che saparava l'aula dal presbiterio fu tolta e riutilizzata come base per la mensa attuale.

Si tolse dal presbiterio la lastra tombale della famiglia Orrigoni ( ora murata in sagrestia), l'antica famiglia che aveva il patronato sulla chiesa ( in facciata è scolpito lo stemma della famiglia " di rosso alla pianta di quercia d'oro, sradicata e fruttata d'oro ) e la chiesa fu adornata di nuove opere di artisti moderni: la pala d'altare con San Martino che dona il mantello al povero è del pittore Silvio Consadori (1909-1994); e le formelle che fanno da porte agli ex reliquiari e l'alto rilievo sotto la pala, tutti in bronzo dorato, sono dello scultore Virginio Ciminaghi; il leggio e la cattedra con i simboli degli evangelisti sono di Mario Rudelli e il Crocefisso e i candelieri sono di Enrico Manfrini.

Tutte queste opere sono state eseguite nel 1969.