In een document van 1129 wordt Hombeek voor het eerst vermeld als een zelfstandige parochie. Bijgevolg was er ook een kerk, vermoedelijk in romaanse stijl.
De onderste drie geledingen van de toren zouden teruggaan tot de 13de eeuw.
Na de godsdiensttroebelen van de 16de eeuw was de kerk volledig vervallen. Meerdere herstellingswerken en gedeeltelijke heropbouw wisselden elkaar af. Zo werd het schip in de tweede helft van de 17de eeuw herbouwd, gevolgd door de bouw van twee zijbeuken. In de eerste helft van de 18de eeuw werd het koor herbouwd en vergroot. Midden 18de eeuw werd de toren verhoogd en voorzien van een klokvormige torenhelm.
Midden 19de eeuw werd de kerk naar ontwerp van provinciaal architect J. Schadde grotendeels herbouwd (met uitzondering van de toren en het middenschip) omdat de bevolkingstoename een vergroting noodzakelijk maakte. In de periode 1855-1857 werd het oude koor afgebroken, werd het middenschip met één travee verlengd en werden een nieuw koor, kruisbeuk en zijbeuken (waardoor de toren werd ingebouwd) gerealiseerd in neo-romaanse stijl. Het oude middenschip werd in de nieuwe vormgeving geïncorporeerd.
Sindsdien behield de kerk haar 19de-eeuwse uitzicht.
Het orgel van de Sint-Martinuskerk is beschermd als monument dd. 12.10.1981.
