Pierwotny kształt świątyni nie jest znany, lecz zapewne była murowana. O średniowiecznym wyposażeniu wiadomo więcej. Obok ołtarza głównego (poświęconego św. Marcinowi) istniało ministerium dla wikariuszy (erygowane w 1486), ołtarz św. Stanisława (cechowy, cechu czapników) i ołtarz Św. Krzyża (bractwa ubogich). Swój dzisiejszy kształt świątynia zyskała dzięki przebudowie w początkach XVI wieku. Od 1486 w księgach miejskich widnieją zapisy pieniędzy na budowę nowego kościoła. Prawdopodobnie prace rozpoczęto w 1516 (pleban Grzegorz z Szamotuł), kontynuowano za Marcina Święcickiego i ukończono w 1517. Nawa główna była kryta stropem, nawy boczne miały sklepienia gwiaździste, pod kościołem znajdowały się cztery krypty. Wieży nie wybudowano. Do potopu szwedzkiego trwał rozwój wyposażenia i infrastruktury kościelnej, spowolniony jednak zasadami ogłoszonymi w 1520 przez Marcina Lutra, np. do 1570 r. nie fundowano nowych ołtarzy. Kościół odnowiono w końcu XVI wieku (pleban Maciej z Pońca) W 1657 świątynia została spalona podczas najazdu brandenburskiego. Odbudowana w ciągu następnych lat przez plebanów Andrzeja Wilkiewicza (1670-1686; odbudowa murów cmentarza, powstała dzwonnica) i Andrzeja Chrościńskiego (1686-1721; powstała wieża, malowidła wewnątrz kościoła i nowe organy) w stylu barokowym. Wieżę rozebrano z powodu groźby zawalenia w roku 1745.

W 1779 istniała nowa dzwonnica (drewniana, z czterema dzwonami), naprawione były też zniszczenia z okupacji rosyjskiej miasta (1771) związanej z konfederacją barską. Gruntowny remont z drobnymi zmianami kościół przeszedł w latach 1834 – 1840. W 1885 przy prawej nawie bocznej zbudowano kaplicę św. Józefa. 1859 w ogrodzie przy kościele stanął pierwszy na ziemiach polskich pomnik A. Mickiewicza, wykonany przez Władysława Oleszczyńskiego. 1890 u stóp cokołu umieszczono postacie przedstawiające Wisłę, Wartę i Niemen autorstwa Władysława Marcinkowskiego a w 1904 kamienny monument zastąpiono kopią z brązu aut. Marcinkowskiego. Pomnik zniszczony podczas okupacji hitlerowskiej.

W 1925 przystąpiono do przebudowy, mającej na celu rozszerzenie i remont starej świątyni. Cofnięto główny ołtarz, przedłużono kaplicę św. Józefa, po stronie południowej zbudowano nową zakrystię. Pochodzący z XVII wieku ołtarz główny św. Marcina przesunięto bliżej ściany i zmniejszono. Świątynia otrzymała nową polichromię, witraże i ambonę, usunięto łuk triumfalny, przebudowano chór i ustawiono nowy ołtarz św. Antoniego. W 1929 od strony ul. Św. Marcin przy bocznym wejściu do świątyni stanęła 45-metrowa (o podstawie 6 na 6 metrów) wieża, projektu Stefana Cybichowskiego. Na wys. 25 metrów umieszczono zegar, a nad nim dzwonnicę przykrytą wspartą na kolumnach barokową kopułą. Na wieży umieszczono cztery trzymetrowej wysokości postacie św. Wojciecha, św. Stanisława biskupa oraz apostołów św. Piotra i św. Pawła wykonane przez Marcina Rożka.

Na froncie wieży na osi Alei Marcinkowskiego umieszczono płaskorzeźbę autorstwa Marcina Rożka, przedstawiającą postać św. Marcina na koniu oddającego połowę płaszcza żebrakowi. W nowej wieży zawisły trzy dzwony. Największy (1800 kg)wykonał w 1747 r. poznański ludwisarz Christian Heinrich Witte a poświęcony był Matce Boskiej, drugi (800 kg)z 1563 – św. Marcinowi, trzeci (250 kg) z 1718 pochodzący z miejscowej odlewni Hammera poświęcono św. Andrzejowi.

Wysoką wartość zabytkową docenili nawet Niemcy podczas I wojny światowej, uznając je za zabytki pierwszej klasy.

Z racji położenia w centrum miasta, zamieszkanego przez najzamożniejszych obywateli, była to najbogatsza parafia w Poznaniu. W 1930, podczas urzędowania proboszcza ks. prałata prof. dra Teodora Taczaka, kościół św. Marcina w Poznaniu otrzymał nowe konfesjonały i stalle przy głównym ołtarzu, a także organy, na których często grywał Feliks Nowowiejski. Na zewnątrz wmurowano brązową tablicę ku czci ks. Piotra Wawrzyniaka autorstwa Władysława Marcinkowskiego. W 1932 przebudowano kaplicę Matki Boskiej z Lourdes, obok której ustawiono Golgotę – krzyż i trzy figury. W 1939 kościół został zamieniony na magazyn zrabowanych dzieł sztuki sakralnej. W 1945 spłonął wraz z zawartością.

Podczas odbudowy w latach 1950 – 1954 kościołowi przywrócono kształt gotycki. Wewnątrz najciekawszym zabytkiem jest ołtarz w formie tryptyku obrazujący życie św. Katarzyny, pochodzący z 1498 z kościółka cmentarnego w Świerzawie na Dolnym Śląsku oraz znajdująca się w nawie południowej drewniana polichromowana rzeźba Madonny z Dzieciątkiem z około 1510 ze szkoły wielkopolskiej, a także wisząca nad wejściem do zakrystii figura Boga Ojca. Polichromia kościoła według projektu W. Taranczewskiego pochodzi z 1957. Witraże w prezbiterium są autorstwa J. Piaseckiego z 1960, za organami W. Taranczewskiego 1970, w nawach wykonane przez poznańską firmę witrażową Marii Powalisz-Bardońskiej (po 1970, częściowo z wykorzystaniem projektów W. Taranczewskiego). Rzeźba św. Marcina w tympanonie nad głównym wejściem dłuta Edwarda Haupta pochodzi z 1957.

Na południe od kościoła znajduje się pochodząca z 1911 roku grota Matki Bożej z Lourdes przekształcona w latach 30. XX wieku w wolno stojącą kaplicę przykrytą kopułą.