La chiesa, intitolata a San Martino, fa parte del grande complesso del Duomo di Piove di Sacco, comprendente anche la piccola Chiesa di Santa Maria dei Penitenti e il cosiddetto Oratorio del Paradiso (così chiamato perché sorto sul sito di un precedente cimitero ubicato a ridosso del Duomo).
L’edificio attuale è stato realizzato tra il 1893 e il 1903 dall’ingegner Francesco Gasparini, il quale progettò un’ampia chiesa in stile romanico (con alcuni elementi gotici), con orientamento completamente opposto rispetto alla precedente pieve medievale.
Stando a quanto documentato dalle fonti scritte, l’originaria chiesa venne invece eretta nel 1090 per volere di Milone, l’allora vescovo di Padova e conte di Piove di Sacco. Si trattava di un grande edificio basilicale a tre navate, dotato di ingresso lungo il lato occidentale.
Nel 1334, accanto al Duomo, venne costruita la piccola Chiesa di Santa Maria dei Penitenti (sorta sul sito della precedente Chiesa di Santa Maria Madre di Dio) e, per collegarla a questo, venne realizzato l’edificio che ancora oggi è chiamato “Paradiso”.
All’interno del Duomo sono conservate alcune pregevoli opere d’arte, tra cui la pala raffigurante la Madonna del Carmelo, realizzata da Tiepolo tra il 1737 e il 1738. Del pittore Giovanni Pietro Silvio è invece il dipinto raffigurante San Martino, collocato nel presbiterio e datato al 1532.
