Edificata nell’antico centro abitativo urbano, la prima informazione che la riguarda risale all’anno 547 quando il vescovo Felice – in segno di gratitudine votiva – la intitolò a san Martino vescovo di Tours. Dell’originaria chiesa altomedioevale rimangono alcuni frammenti lapidei con motivi decorativi ad intreccio vimineo (secc. IX-X), già usati come materiale di riporto, rinvenuti durante i restauri dopo il terremoto del 1936. Dei suoi altari trecenteschi rimangono la cosiddetta arca degli Azzoni, murata all’interno del campanile, e quella degli Avoscano, che oggi fa da mensa all’altare della cripta.
Nel 1471 un incendio fortuito costrinse a rifabbricare il duomo, che prima aveva la facciata rivolta verso il Piave. La nuova cattedrale venne eretta a partire dal 1517, su disegno di Tullio Lombardo, e venne via via arricchita per tutto il XVII e XVIII secolo dai vescovi che si susseguirono alla guida della chiesa bellunese.
Nel 1732 venne innalzato il campanile barocco, progettato da Filippo Juvarra ed è diventata basilica minore dal 1980.
All’interno sono conservate numerose opere di artisti importanti come Cesare Vecellio, Andrea Meldolla detto lo Schiavone, Jacopo Da Ponte, Andrea Brustolon, Gaspare Diziani e altri.
