Al eeuwenlang staat de Maartenskerk in het hart van Doorn. Uit een document uit de 9^e eeuw blijkt dat er eerder een houten kapel stond, die eigendom was van de bisschop van Utrecht. Vanaf 1126 hoort de kerk toe aan het kapittel van Sint Maarten van de Utrechtse Dom. Dat verklaart de naam van de kerk.
In de 12^e eeuw werd het houten kerkje vervangen door een tufstenen gebouw. Deze Romaanse kerk vormt nu het middenschip van de huidige kerk. Aan de noordzijde van de Maartenskerk zien we de vroegere ingang, het zogenaamde Noormannenpoortje: een laag poortje, dat vooral in Groningse en Friese kerken te vinden is. Het verhaal gaat dat deze poortjes met opzet zo laag gemaakt werden om Noormannen, die door de poort de kerk binnenkwamen, te dwingen om hun hoofd te buigen voor de kerk. Het is nu dichtgemetseld. Net als twee lager geplaatste vensters (een ronde en een vierkante), de zogenaamde hagioscopen.
De bakstenen toren aan de westzijde dateert waarschijnlijk uit de 13^e eeuw.
Het Romaanse koor werd vernield door de soldaten van de hertog van Gelre. Dit gebeurde vermoedelijk in 1420, in de tijd van de Hoekse en Kabeljauwse twisten. Spoedig daarna begon de bouw van een groter koor in Gotische stijl. Het werd opgetrokken in baksteen, maar restanten van het Romaanse koor werden daarbij hergebruikt. Ongeveer gelijktijdig werd aan de zuidzijde van het koor de sacristie gebouwd. Later werd dat de consistoriekamer; tegenwoordig is het de stiltekapel.

In de loop der eeuwen hebben vaak verbouwingen plaatsgevonden. Zo zijn het aantal en de vorm van de vensters meermalen gewijzigd, zoals te zien is op oude prenten. Na de Reformatie werd het altaar verwijderd. Het koor werd afgesloten door een tussenmuur. Ertegen kwam in 1666 de fraai bewerkte preekstoel. Ook de beelden verdwenen. Brokstukken ervan werden gebruikt om de torenvloer te plaveien. Ze kwamen te voorschijn bij de restauratie in 1996. Na conservering werden ze in vitrines in de consistorie geplaatst. Ze oogsten daar veel bewondering. Omdat de vitrines toch niet voldoende bescherming boden zijn ze bij de herinrichting in 2011 verwijderd. Waarschijnlijk zullen ze in de toekomst te zien zijn in het Museum Catharijneconvent in Utrecht.
Ook in de 19^e en 20^e eeuw vonden diverse aanpassingen en verbouwingen plaats. In de kerk bevinden zich diverse bijzondere kunstwerken. De bekende Utrechtse firma Bätz bouwde In 1873 het orgel, met een eikenhouten kast in Neogotische stijl.