La commune de Saint-Martin-de-Bréthencourt se trouve dans le sud des Yvelines, à la limite entre les régions naturelles de Beauce et du Hurepoix. Elle confine vers l'est avec le département de l'Essonne.
L'habitat se répartit entre le bourg centre Saint-Martin regroupant l'église et la mairie, le hameau voisin de Bréthencourt (site de l'ancienne forteresse), situé plus en amont dans la vallée naissante de l'Orge, et le Haut-Bout, hameau situé plus au nord sur le plateau.
L'Église Saint-Pierre-Saint-Paul, édifice en pierre de style roman du xiie siècle, remarquable par sa tour-clocher massive, classée monument historique en 1977. L'église appartenait à un prieuré de bénédictins aujourd'hui disparu. L'édifice est protégé par une inscription au titre des Monuments Historiques depuis 1977