Vers 650 un premier lieu de culte est édifié par saint Éloi près de la place centrale du bourg. Au même endroit, et pas beaucoup plus tard, une église romane est édifiée. Elle est placée sous le patronage de saint Martin de Tours, un saint du 4e siècle déjà populaire en Gaule septentrionale. Au Moyen Âge l’édifice roman est remplacé par une église de style gothique.
La construction de l’église gothique n’a lieu que dans les années 1270-1300.
A la fin du 14e siècle, l’édifice est gravement endommagé par des mercenaires français lors de leur retour de la bataille de West-Roozebeke. Les travaux commencent aussitôt dés 1382: le chœur puis la partie occidentale sont restaurés avant la transformation et l’agrandissement à la mi 15e siècle.
Les travaux durent presque un siècle : de 1390 à 1466. Cette nouvelle église à triple nef est de type « église-halle ». Le clocher-tour de style gothique brabançon, haut de 83 mètres, date de 1439.
En 1862, la tour Saint-Martin est frappée par la foudre et prend feu. La partie en bois (datant de 1601) est complètement détruite et le sanctuaire est fort endommagé. Le clocher est entièrement restauré dans les années qui suivent. Il contient aujourd’hui un groupe de six cloches.
De 1899 à 1939 une statue en chêne de la Vierge-Marie se trouvait dans la niche entre les deux entrées du portail principal. Une statue de Saint Martin de Tours la remplace depuis lors.
Aujourd'hui, seules les parties du narthex et les colonnes de base de la nef centrale sont du 13e siècle.
Le panneau central représente les douze apôtres assis autour de Marie, avec Pierre à l’avant-plan reconnaissable à la clé qu'il tient entre ses mains. D’en haut, l’Esprit saint, symbolisé par une colombe, inspire toutes les personnes présentes. Le feu de la foi descend sur les esprits.
Le volet gauche est consacré à la déploration du Christ, et le volet droit au baptême du Christ.
Dès la christianisation, Courtrai relève du diocèse de Tournai. Les échanges se font en français. Napoléon a mené d’importantes réformes administratives et a également réorganisé les diocèses. Courtrai passe alors dans le giron du diocèse de Gand, qui correspond alors au département de la Lys.
Peu après, en 1834, le clergé fait coïncider le diocèse de Bruges avec la province belge de Flandre occidentale, configuration toujours d’actualité.
À l'arrière plan, le tryptique de la pentecôte.