1421 wurde der Grundstein für die dreischiffige Hallenkirche gelegt. Der Chor entstand 1442, von 1461 bis 1487 erfolgten die Arbeiten am Langhaus. 1478 schließlich begann der Bau des riesigen Dachstuhls, der eine herausragende Leistung der Zeit darstellt. Der Turm wurde 1534 mit einer Rundkuppel fertiggestellt. Die von zwei Fensterreihen gegliederte Außenfront des Kirchenschiffs ist nahezu schmucklos, da man die Strebepfeiler, die die Sterngewölbe der Seitenschiffe tragen, in den Kirchenraum eingezogen hat. Mit der Rekatholisierung Ambergs ab 1621 erhielt die St. Martinskirche eine barocke Innenausstattung. Sie wurde im 19. Jahrhundert jedoch gegen die heute den Innenraum prägende neugotische Ausstattung ausgetauscht.

Kunsthistorisch bemerkenswert ist in der Anlage der Kirche vor allem die Einziehung der Strebepfeiler in Verbindung mit der Anordnung von Emporen über den Seitenkapellen, welche die gesamte Kirche umlaufen. Mit der Ausbildung der Umgangsempore nimmt St. Martin eine Schlüsselstellung ein für die Weiterentwicklung der spätgotischen Architektur.