Die erstmals 804 im Lorscher Codex erwähnte Kirche verweist durch ihr Martinspatrozinium auf eine Gründung in fränkischer Zeit. Als wichtiger Ausgangspunkt der Christianisierung auf der Alb verfügte die Kirche bis ins späte Mittelalter über einen bedeutenden Pfarrsprengel. Um 1300 entstand das flachgedeckte Langhaus an Stelle eines Vorgängerbaus. Der spätgotische Chor von 1495/98 entstand nach Plänen des herzoglichen Baumeisters Peter von Koblenz. Infolge der 1534 in Münsingen eingeführten Reformation verlor die Kirche ihren mittelalterlichen Bilderschmuck. In nachreformatorischer Zeit entstanden die Deckenbemalung des Langhauses, die Kanzel und das Orgelgehäuse. Seit 1817 ist die Martinskirche Dekanatskirche. 1887 wurde die baufällige mittelalterliche Turmspitze mit Satteldach durch einen neugotischen Turmhelm des Architekten Christian Friedrich von Leins ersetzt.
