L'église Saint-Martin de Gigny était le siège d'une cure à la collation de l'abbé de Montier-en-Der depuis une donation effectuée 1196 par l'évêque de Châlons, Rotrou. L'abbaye de Montier-en-Der percevait les dîmes du lieu.
L'église primitive de Gigny fut détruite en 1544 lors du siège de Charles-Quint. Elle fut reconstruite provisoirement en bois puis en pierre probablement au 17e siècle. Seul le portail occidental et une partie de la façade du 13e siècle semblent avoir été conservés de l'ancien édifice.
En 1792, Saint-Martin fut fermée au culte et la paroisse de Gigny fut alors rattachée à celle de Notre-Dame. Du 6 février 1794 au 22 avril 1795, l'église fut transformée en fabrique de salpêtre pour les poudres. L'activité endommagea l'édifice qui restera fermé jusqu'en 1822 (sauf en 1814 lorsqu'il servit d'hôpital militaire) où l'on effectua des travaux au clocher. En 1823, on fit construire la voûte du choeur. Nouvelles réparations au clocher et construction de voûtes en 1838. La flèche du clocher (construite en 1741) fut détruite en 1870 pour cause de ruine de la charpente. La base fut conservée et on y logea trois cloches fondues en 1858 par Paintendre.
En 1858, l'architecte Fisbacq voûta les trois vaisseaux et, en 1860, il fit agrandir le chevet par l'adjonction d'un déambulatoire avec grande chapelle axiale et quatre chapelles absidales par les entrepreneurs Bordot et Beaumet et le sculpteur Charonnot de Chaumont. La coupole de l'abside, qui remontait à 1823, reposa dès lors sur des colonnes et non plus des murs. Les peintures murales réalisées en 1858 à la coupole du sanctuaire sont l'oeuvre du peintre Guilbert de Paris. En 1874, l'architecte Tripy fit construire la chapelle Sainte-Philomène puis la sacristie en 1886.
La nef à trois vaisseaux de quatre travées est suivie par un transept non saillant dont la croisée supporte le clocher en charpente couronné par un toit en pavillon. Les trois vaisseaux de la nef sont couverts de toits individuels.
Le choeur se compose d'une abside hémicirculaire couverte d'une coupole. Il est ceinturé par un déambulatoire s'ouvrant sur quatre chapelles rayonnantes composées chacune d'une travée droite et d'une abside à trois pans couverte d'une voûte d'ogives à six quartiers. La grande chapelle axiale à trois vaisseaux de quatre travées se termine par un choeur à travée droite et une abside à trois pans.
Chapelle latérale dite chapelle de Sainte-Philomène accostée de la quatrième travée du collatéral sud.