La chiesa dei Santi Martiri è dedicata ai più antichi patroni di Torino: i martiri Avventore, Ottavio e Solutore e ne custodisce le loro reliquie fin dal 1584. Fu fatta erigere dai gesuiti in luogo della preesistente (dal X secolo) parrocchiale di Santo Stefano, per custodire le reliquie dei martiri cui è dedicata e farne la chiesa dell'Ordine in Torino. I gesuiti erano stati chiamati a Torino nel 1566 dalla Venerabile compagnia della fede cattolica, oggi Compagnia di san Paolo, per la difesa della fede all'epoca della diffusione della riforma protestante. La posa della prima pietra avvenne il 13 aprile 1577 alla presenza di Emanuele Filiberto, che l'aveva fortemente voluta, e fu costruita su progetto attribuito a Pellegrino Tibaldi (1527 – 1596). È attestata la fine della costruzione (cupola esclusa) da un documento del 1612.

A seguito dei danni subiti durante l'assedio di Torino del 1706, venne costruita la nuova cupola (1708-1711) ad opera di Carlo Giulio Quadrio, ingrandito il coro e ridecorato l'interno.

Il coro fu decorato nel 1629 con gli affreschi di Isidoro Bianchi di Campione d'Italia. L'altare maggiore è stato disegnato più tardi da Filippo Juvarra (1730). Verso il 1680 il "fratello" gesuita Andrea Pozzo, pittore ed architetto, ne affrescò la volta ma della sua opera sono rimasti solo due particolari ed il resto fu sostituito dall'opera di Luigi Vacca nel XIX secolo e di Francesco Gonin. L'opera più notevole è la pala dell'altare maggiore raffigurante la Madonna con i tre santi martiri, opera di Gregorio Guglielmi, realizzata fra il 1765 ed il 1766.