Du 9e au 12e siècle, la présence d'un lieu de culte est attestée. Il n'en subsiste aucune trace visible. L’église Saint-Martin de Groslay tiendrait sa dédicace de la collégiale Saint-Martin de Montmorency à qui elle aurait appartenue.
Au 13e siècle, l’église est reconstruite : les cinq dernières travées de la nef, d'une partie du bas-côté sud et du clocher, ainsi que l'atteste la découverte, lors de travaux, d'une médaille à l'effigie du Roi Louis VIII (1223-1226). L’église est alors moins longue qu’aujourd’hui et l’abside occupait le centre du chœur actuel. En 1420, l’évêque de Paris Guillaume Chartier consacra cinq autels
Au 16e siècle, l'agrandissement de l'édifice commandé par Guillaume de Montmorency, puis son fils Anne le Grand, connétable de 1520 à 1542 : choeur, abside, bas-côté sud, puis bas-côté nord. Dans ce dernier on remarque des voûtes à croisées d'ogives, agrémentées de pendentifs, du plus pur style Renaissance. Sur un arc figurent deux salamandres, emblème de François 1er. Sur trois colonnes sont peintes les armes des Condés, successeurs des Montmorency. On peut dater ces opérations grâce à une date inscrite à l’extérieur : 1542.
18e siècle : Vers 1750, adjonction du petit logement au dessus de l'entrée sud, à la base du clocher.
19e siècle : A la fin du siècle, édification de la sacristie.
L'Eglise renferme six vitraux du 16e siècle représentant la vie de Saint-Martin, le baptême et la résurrection du Christ, la Nativité, l'arbre de Jessé, Sainte Barbe.
Baie 10 : On trouve ici les fragments d’un vitrail narratif consacré à la vie de saint Martin, traitée essentiellement à la grisaille et au jaune d’argent. Il s’agit de
- l’Apparition du Christ à saint Martin,
- la Chute du pin sacré,
- la Messe miraculeuse.
On voit aussi un personnage issu d’une Adoration des Mages
- et la figure très recomposée d’un donateur.
au registre supérieur :
- [1] Jésus au milei des docteurs
- [2] le couronnement de la Vierge
- [3] Mater Dolorosa
Au registre intermédiaire :
- [4] l'annonciation
- [5] la pentecôte
- [6] Jésus rencontre sa mère
Au registre ininférieur :
- [7] Notre-Dame de Lourdes
- [8]
- [9] Notre-Dame de la Salette
Différents fragments ont été placés dans cette baie lors des restaurations. La plupart d’entre eux se rapporte au cycle de Noël.
Deux Nativités ont été associées : dans la lancette de gauche, c’est un petit panneau à l’émail des années 1570. Dans celle du centre, la même scène figure sur un panneau presque entièrement traité à la grisaille, des années 1560. Dans la lancette de gauche, l’Adoration des Mages présente des analogies frappantes avec le panneau illustrant ce thème à Saint-Acceul d’Écouen, datable de 1545 environ. On trouve aussi la mention d’un donateur, un certain Montléon, peut être une graphie ancienne de Mauléon, un des fiefs de Saint-Brice.
La partie supérieure de la baie a été peuplée d’architectures flottant dans les airs par les restaurateurs qui y ont également fait figurer le château d’Écouen.
Ont été regroupés ici des panneaux provenant de trois verrières distinctes.
Au registre supérieur, on trouve une Résurrection assez tardive, des années 1560 ou 1570. On notera la scène du Noli Me tangere représentée à l’arrière plan.
Au registre médian, la Messe de saint Grégoire date des années 1520. Des rapprochements formels ont permis d’établir qu’elle était l’œuvre du fameux « maître de Montmorency » qui travailla à la collégiale et qui peut être identifié comme étant le peintre-verrier parisien Jean Chastellain.
Le registre inférieur comporte un panneau des années 1550 représentant sainte Geneviève portant un cierge dont un ange protège la flamme alors qu’un diable tente de l’éteindre avec un soufflet.