La primitiva església apareix documentada al segle XI, en el foli 89r del Cartulari de Sant Cugat del Vallés on s'esmenta una antiga església prope forum martorelium. Cronologia que es veu reforçada per dos enterraments localitzats en l' excavació arqueològica que es van fer a la plaça de l'església l'any 1986.
Al segle XVI es va construir la nova església en un emplaçament proper de l'antiga; la nova església presentava una espaiosa nau central, absis poligonal, un campanar i una façana d'estil renaixentista feta d'una pedra groguenca que contrastava amb la pedra pròpia de la zona de color vermell amb què estava feta la resta de l'església; la porta d'entrada quedava emmarcada per un frontó triangular sustentat per dues columnes corínties; a l'interior del frontó: l'escut de Martorell i representacions de la verge i Sant Pere. Al 1936 l'església va ser cremada i es perderen els retaules barrocs del segle XVIII realitzats per Agustí Pujol així com l'orgue obra de Francesc Espill. Fruit de l'incendi es va haver d'enderrocar part de l'església i només es conservaren els murs laterals que donaven a l'església i la façana principal.
Al 1941 es van començar les obres de reconstrucció projectada per Josep Francesc Folguera i Josep Ros i Ros. L'any 1992, coincidint amb els 400 anys de l'església es va tornar a aixecar un campanar i poc més tard es restituir la façana renaixentista que havia estat desmuntada en la reconstrucció dels anys 40 del segle XX.