La parte più antica, individuabile nel Duomo di Pietrasanta, è conservata lungo il lato nord e nella parte del transetto sinistro, rimasta a vista. Si tratta probabilmente della chiesa costruita intorno alla metà del XIII secolo. In questa fase la chiesa aveva una pianta a croce latina, con tre navate, transetto e probabilmente l'abside semicircolare. Agli inizi del XIV secolo, la chiesa fu interamente ricostruita sotto il governo di Castruccio Castracani. Grazie all'iscrizione presente sull'architrave del portale laterale, è stato possibile datare al 1330 la facciata, il lato sud e il transetto. Non sappiamo dove sorgesse a questa data il campanile, poiché non se ne conservano resti visibili. La struttura attuale risale sostanzialmente all'epoca quattro-cinquecentesca: nel 1453 fu completata la prima cupola ottagonale, costruita all'incrocio tra la navata principale e il transetto. Interventi di rilievo, relativi in particolar modo alla cupola, sono documentati nei primi decenni del Seicento: in questa occasione le finestre del lato meridionale furono, tra l'altro, sostituite con aperture di forma quadrangolare. Infine, al XIX secolo risale la realizzazione delle due cappelle laterali. Una chiesa dedicata a San Martino è documentata nell'Estimo del 1260 come dipendente dalla pieve dei Santi Giovanni e Felicita.