Foi datada como sendo a igreja mais antiga da cidade do Porto. Pelo menos dois templos antecederam a atual construção românica da Igreja de São Martinho de Cedofeita. Os vestígios mais recuados que chegaram até aos nossos dias datam de finais do século IX, dois capitéis reaproveitados, na fase românica, no arco triunfal. Das obras do século XI restam as partes baixas da capela-mor, com as suas arcarias assentes em bases muito arcaicas.
A estrutura que chegou até nós tem uma nave única, composta por dois corpos justapostos. E é totalmente abobadada, uma característica que não se repete em nenhuma outra igreja românica de nave única que tenha chegado até aos nossos dias. É um dos primeiros monumentos do norte a repetir o formulário escultórico e iconográfico coimbrão. Calcula-se que a obra tenha decorrido a par do projeto românico tardio da Sé do Porto, onde terá trabalhado Soeiro Anes, um nome ligado à Sé Velha de Coimbra. Assim se explica o estatuto de Cedofeita como uma das construções de referência para o chamado Românico tardio do Douro Litoral.
A fase plenamente românica de São Martinho de Cedofeita aconteceu na viragem para o século XIII.
Este foi um dos edifícios intervencionados, na década de 30 do século XX, na campanha de restauro levada a cabo pela Direção Geral de Edifícios e Monumentos Nacionais.