Avec l'implantation du chemin de fer et de la caserne du 70e régiment d'infanterie dans la deuxième moitié du XIXe siècle, l'ancienne église Saint-Martin, située dans le cimetière Saint-Martin et dont il ne subsiste que la tour du clocher, devient trop petite et excentrée par rapport aux nouveaux quartiers.
Ce nouvel édifice domine la ville par sa situation, et fait ainsi contrepoids à l'église Notre-Dame. Les architectes rennais Mellet, fervents catholiques dont le père Jacques est originaire de Vitré, sont désignés. Admirateurs de l'art roman, ils choisissent le style néo-roman, avec un voûtement d'ogives.
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