La chiesa, oggi in posizione isolata in mezzo a prati e attorniata da nuove vie di comunicazione, sorse all’incrocio di due antichissime strade, ormai scomparse, che collegavano Mendrisio con Riva S. Vitale e con Stabio. La tradizione vuole che qui sorgesse in origine il borgo di Mendrisio e che S. Martino ne fosse la prima parrocchiale. Ma i resti di edifici portati alla luce nelle immediate vicinanze durante la campagna di scavi del 1959-1963 sono da riferire solamente alla presenza di celle monastiche. La chiesa è indirettamente attestata da documenti risalenti al 962-966 in merito alla permuta di pezze prative appartenenti al monastero di S. Ambrogio di Milano, tra le quali una confinante con S. Martino, ma sicuramente la sua fondazione è molto più antica.

Le ricerche archeologiche hanno messo in evidenza quattro distinte fasi costruttive: una prima, protoromanica, consisteva in un piccolo edificio absidato ad aula semplice; con la seconda venne aggiunta un’abside, mantenendo immutata la superficie; nella terza fase la chiesa venne ingrandita sia in lunghezza che in larghezza e venne costruita con un’unica abside. L’attuale edificio, tardoromanico, ha riutilizzato le pareti del precedente ma è stato ampliato in età barocca con il rinnovamento del coro e la costruzione del portico, probabilmente aggiunto in funzione dell’aumentato flusso di visitatori in occasione della fiera del bestiame di S. Martino, concessa alla comunità di Mendrisio dall’autorità elvetica nel 1684.

All’esterno la chiesa si presenta con facciata a capanna, preceduta dal portico. Le pareti laterali, in puro stile romanico, sono scandite da lesene e arcatelle cieche sottogronda. All’interno, la navata è unica con copertura a capriata e coro rettangolare voltato a crociera. Sulla sinistra dell’ingresso, una scala permette di accedere al livello inferiore dove è possibile vedere i reperti delle precedenti strutture. Nel coro, altare con paliotto in stucco della metà del Seicento con raffigurazioni della decollazione di due santi; sopra l’altare un polittico raffigurante la Crocifissione e santi. La parete di fondo del coro è affrescata con dipinti del primo Settecento (S. Fermo e S. Martino). Sopra la cornice affresco dell’Annunciazione dell’inizio del XVII secolo. Alle spalle della chiesa sopravvivono due delle quattordici cappelle che componevano la Via Crucis, costruita nel Settecento. Le cappelle furono affrescate nel 1827 da Francesco Catenazzi.