Consta de tres naves de medio punto, cada una con su ábside, y un cimborrio (especie de cúpula) octagonal en el crucero. En su exterior se alzan dos torres cilíndricas a ambos lados de su fachada principal.

Esta iglesia pertenecía al monasterio benedictino fundado por doña Mayor, condesa de Castilla y viuda de Sancho III el Mayor rey de Navarra, en 1066. Actualmente se cree que el año 1100 es la fecha probable de edificación del templo. Representa la plenitud del modelo jaqués, edificada con un claro programa y sin interrupciones, lo que se aprecia en la coherencia de sus volúmenes. Junto con Santiago de Compostela, San Isidoro de León y Jaca representa la cumbre del arte románico español del S XI.

San Martínd de Frómista. Trompa del cimborrio.
 

Con la desamortización de bienes eclesiásticos, esta iglesia entró en tal deterioro que hubo que cerrarla al culto. En 1894 se declara a esta obra Monumento Nacional. Entre los años 1894 y 1904 fue desmontada y reconstruida por Manuel Aníbal Álvarez y Amoroso, que eliminó estructuras añadidas y reconstruyó partes desaparecidas. Alguna zona se la inventó, como la portada apuntada del muro sur del transepto, allí donde hubo sacristía adosada, casi todo el hastial de poniente, y 86 de los 320 canecillos, entre otras cosas. Se dice que "parece recién hecha" de lo excesiva que fue esa intervención; pero ello no le resta en absoluto ni un ápice de su mérito ni belleza integral que nos muestra a las claras cómo debió de ser el edificio en su origen. En la imagen, aspecto recogido en una lámina del siglo XIX que nos muestra como estaba antes de la restauración.

San Martín de Frómista. Esquema de los ábsides.