Przypuszczalnie pierwotnym celem tej sali było miejsca składowe do celów handlowych”Ancient Churches of Rome from the Fourth to the Seventh Century: The Dawn of Christian Architecture in the West, by Hugo Brandenburg, Brepols, 2005..
W roku 500 kościół został odbudowany i dedykowany świętym Marcinowi z Tours oraz papieżowi Sylwestrowi I, przez papieża Symmachusa. Z tej okazji kościół został podniesiony, a pierwotna kaplica stała się podziemną.
Kościół został ponownie odbudowany przez Hadriana I w 772 i przez Sergiusza II w 845. Struktura obecnej bazyliki pochodzi z dawnego kościoła, a wiele jego elementów zostało ponownie wykorzystanych.
Fasadę bazyliki zbudowano w 1644 według projektu Filippo Gagliardi, w 1650 została nieznacznie przebudowana przez Pietro da Cortona.
Nadzór klerycki nad bazyliką sprawuje Zakon Karmelitów (OCarm). Kościół został im przekazany w 1299 przez papieża Bonifacego VIII, a własność została potwierdzona w 1559. Kościół jest miejscem spoczynku bł. Angelo Paoli, karmelity (1642-1720), który był czczony w Rzymie za jego służbę ubogim, jego beatyfikacja nastąpiła 25 kwietnia 2010.