O actual edifício terá sido construído sobre uma anterior Ermida do século XVI, que, devido ao terramoto de 1755 e consequente destruição da Igreja Matriz de Santiago, ganhou muita importância e ficou pequena para tantos fiéis. Assim, foi restaurada e ampliada, concluindo-se as obras em 1834. Já em 1960 sofreu um grande incêndio, onde se perdeu muito do seu rico património.

A sua planta é longitudinal de nave única, sobressaindo a sua enorme cúpula, que é já o símbolo máximo do edifício.

Situada junto ao Castelo de Castro Marim, na região Algarvia, a Igreja de Nossa Senhora dos Mártires, é um dos símbolos da bonita vila de Castro Marim.

A Igreja possui no seu interior importantes imagens dos séculos XVI e XVIII, destacando-se a do arcanjo São Gabriel, a de Nossa Senhora da Encarnação e dos Mártires e a de Santa Luzia.