La chiesa dedicata a San Martino sorgeva nella piazza principale del paese, di fronte al palazzo comunale. Era una chiesa molto antica come dimostra un istrumento del 1195, actum Sartiani in Ecclesia S. Martini in foro. Dipese prima dai monaci dell'abbazia della Santissima Trinità di Spineta e poi dai Cistercensi del Cestello di Firenze. Forse al suo interno erano conservate le sepolture feudatarie dei conti Manenti di Sarteano, di origine longobarda, come risulta dalla pietra tombale con la scritta Sepulcrum Comitis Burgarucij MCCIC. Nel 1841, durante i lavori di demolizione dell'antica chiesa, la pietra tombale fu murata sotto il loggiato del palazzo comunale di Sarteano.

La chiesa presenta la facciata in travertino e cotto con pilastri e capitelli dorici. Ad unica navata, conserva due dipinti su tavola di Jacopo di Mino del Pellicciaio, una Madonna col Bambino detta Madonna del Cardellino (1344), e un polittico intitolato alla Madonna delle Grazie; una tavola centinata di Andrea di Niccolò con la Madonna col Bambino tra i santi Rocco e Sebastiano (seconda metà del XV secolo); la celebre Annunciazione di Sarteano di Domenico Beccafumi (1545 circa); la Visitazione della Vergine a santa Elisabetta di Matteo Rosselli (prima metà del XVII secolo|); la Madonna in gloria col Bambino e santi di Alessandro Casolani (ultimo quarto del XVI secolo). Vincenzo Rustici, Madonna col Bambino in gloria e i Ss. Lorenzo, Caterina da Siena, Agnese da Montepulciano, Onofrio, Nicola da Tolentino e Agostino.