Il s'agit à l'origine d'une ancienne chapelle du donjon, dit " Tour de Ganne". Construite sur une surélévation, elle est séparée de l'ancien oppidum par la rue de l'église. La chapelle devient par la suite une église paroissiale. Partiellement détruite pendant les guerres de religion, elle a été plusieurs fois remaniée au cours des siècles : une restauration en 1638, plusieurs reconstructions partielles au 19e siècle et une réhabilitation en 2003.
La découverte de vestiges romans à proximité de l'église actuelle, notamment des fragments de fûts de colonnes ainsi qu'un chapiteau, laisse supposer la présence d'une église romane primitive sur l'emplacement actuel de l'église Saint-Martin. Cependant, aucun élément ne permet aujourd'hui d'attester formellement de son existence.
Un plan de ville dressé par Claude Masse mentionne la date de 1687 pour la construction de l'église actuelle.
Au début du 19e siècle, l'église Saint-Martin de Tonnay-Boutonne est en mauvais état.
L'église est partiellement rebâtie en 1828 dans le cadre d'un projet de transformation.
En 1859, la commune fait dresser par l'architecte diocésain installé à Saint-Jean d'Angély, M. Bonnet, un projet de restauration.
En 1864, l'église est fermée par arrêté municipal en raison de l'état de délabrement avancé de la charpente qui ne garantit plus la sécurité des fidèles lors des offices. Pendant toute la durée de fermeture de l'église, l'office se déroule dans un local situé à l'intérieur du presbytère, servant également de salle de classe pour les religieuses de Saint-Joseph. Devant l'urgence de la situation, le conseil municipal approuve les plans et devis de l'architecte diocésain. Les travaux de restauration, achevés en 1868, concernent : la modification de la façade occidentale, la reconstruction partielle du coeur, la rénovation de la charpente, des reprises en sous-oeuvre, du crépissage et du carrelage. Le clocher est également surélevé.
La tempête de décembre 1999 a endommagé une grande partie de l'édifice et plus particulièrement le clocher et la toiture. Une importante campagne de restauration a eu lieu en 2003. Le clocher, reconstruit à l'identique, a été terminé le 26 juillet 2003.