Dell'impianto romanico della chiesa non rimangono che poche tracce nelle strutture murarie in prossimità del campanile. Risale già alla metà del secolo XIV l'ampio portico esterno che precede la facciata dove si trovava un grande affresco di gusto popolareggiante rappresentante San Cristoforo, trasferito dopo lo stacco all'interno della chiesa, il cui altare maggiore fu fatto eseguire da Simone di Ghino nel 1366. Trecentesco è anche l'interno a semplice aula absidata, che presenta tracce dell'antica decorazione in alcuni brani di affreschi rappresentanti Storie della vita di San Donnino.

Al Quattrocento risalgono le opere che caratterizzano maggiormente la chiesa. Il tempietto del Battistero presenta nella volta Evangelisti e dottori della Chiesa e nell'attico Cristo in gloria tra angeli musicanti, l'Elemosina di san Martino e l'Annunciazione. Gli affreschi, scoperti nel 1891, furono eseguiti da Bicci di Lorenzo in collaborazione con la bottega: per tale lavoro nel 1433 Bicci ricevette in compenso "tre pezzi di terra in piano di Gangalandi".

L'ottagonale fonte battesimale in marmo bianco con formelle decorate è opera di derivazione ghibertiana datata 1423: sul fondo, al di sopra di esso, un dipinto su tavola rappresentante San Giovanni Battista, attribuito a Bernardo Daddi, datato 1336; si tratta di un deposito della Soprintendenza proveniente dall'Arte di Calimala.

Punto focale di massimo interesse della chiesa è l'abside, chiusa in alto da un arco a tutto sesto con decorazione a motivi di candelabro e con lesene in pietra serena sorreggenti un architrave che reca un'iscrizione a lettere capitali dorate, ornata alle due estremità dalle armi degli Alberti. L'abside è ricordata "incepta et quasi perfecta" nel testamento di Leon Battista Alberti, che fu rettore di San Martino dal 1432 al 1472. Terminata dopo la sua morte, tra il 1472 e il 1478, è l'unica opera della quale l'Alberti fu progettista e committente.

L'interno della chiesa è scandito da altari in pietra serena, eretti da famiglie e confraternite locali dal XVI al XVIII secolo, e decorati da importanti dipinti. Gli altari attuali sostituiscono quelli più antichi, andati distrutti nell'assedio di Lastra del 1530. Sulla parete destra le Cinque sante di Pietro Salvestrini, di Castello; la Madonna col Bambino tra san Lorenzo e l'Angelo custode, attribuito ad Antonio del Ceraiolo, e infine, accanto al cinquecentesco pulpito in pietra serena, la Vergine Assunta tra i santi Carlo Borromeo, Bartolomeo, Francesco e Martino, opera firmata da Matteo Rosselli e datata 1615. Sulla parete sinistra, dopo la cantoria in pietra serena e l'affresco raffigurante San Cristoforo, sull'altare eretto da Flora Mechini si trovano brani di affreschi trecenteschi rappresentanti Storie di san Donnino. Sull'altare dei Gangalandi è attualmente collocata l'Annunciazione attribuita a Domenico Passignano, proveniente dall'oratorio della Santissima Annunziata, e sulla stessa parete si trova la lastra tombale di Agnolo Pandolfini, fatta eseguire nel 1421. In controfacciata, Leonardo Cappiardi nel 1734 fece erigere l'altare di San Giuseppe, dove si venera la tela di Francesco Conti rappresentante la Morte di san Giuseppe.