L'église rentre dans l'histoire en 1088 dans le Cartulaire de Gellone, lorsque Adhémar-Guilhem de Montarnaud, seigneur du lieu, lègue à l'abbaye de Gellone l'église Saint-Martin-de-Londres et ses dépendances (ecclesiam Sancti Martini de Lundras, cum decimis et premiciis, et omni cimiterio, traduisible par : "l'église Saint-Martin-de-Londres avec les dîmes, les prémices, le cimetière et tout ce qui appartenait à ladite église").
L'église Saint-Martin est érigée en prieuré en 1090 : au cours du XII siècle il gagne en importance, entraînant de fréquents conflits avec les seigneurs de Montarnaud, qui possèdent toujours le village. Cette séparation du village entre les autorités ecclésiastiques et seigneuriales est encore visible aujourd'hui : l'enclos du prieuré est physiquement séparé du reste du village par un rempart.
Ce conflit prend fin en 1250 lors du rachat de la seigneurie de Saint-Martin par Gellone.
Saint-Martin fut relativement épargné par les guerres de Religions, ce qui ne fut pas le cas pour la maison-mère, qui dut céder la seigneurie en 1592 à la famille de Roquefeuil afin de financer les travaux de reconstruction. L'abbaye de Gellone rentra dans la Congrégation Bénédictine de Saint-Maur en 1644 et se fit restituer la seigneurie en 1689.
Fortement remaniée au XIX siècle (destruction du clocher, adjonction d'une chapelle au nord et agrandissement de la nef d'une travée à l'ouest), l'église fut classée Monument Historique en 1900 et restaurée en 1932.
