L'histoire de cette église débute en 1719, lorsque les paroissiens du faubourg situé sur la rive gauche de la Meurthe, adressent une requête au Chapitre de Saint-Dié pour obtenir une église au centre du faubourg. La chapelle du Petit Saint-Dié, première église bâtie à l'emplacement de l'oratoire de Déodat, le fondateur de la ville, devint trop petite et elle était trop éloignée du centre du faubourg. Le Chapitre donna aux paroissiens l'emplacement de l'ancien hôpital du Vieux-Marché. Mgr. Jean-Claude Sommier consacra l'église en 1728. On y installa trois cloches en 1750. Le clocher était en forme de bulbe comme celui de la collégiale, le cimetière était situé près de l'église. Le 14 juillet 1895, lors du feu d'artifice tiré sur la place, une fusée mit le feu aux aissis de la toiture, l'église fut complètement détruite.
M. Charles Heubès, architecte A.D.G., inspecteur des monuments de la ville de Paris fit les plans de l'église actuelle. Son orientation est insolite : le choeur donne à louest. Elle est de style "roman fleuri", construite en grès des massifs de la Madeleine et du Saint-Martin, les fondations sont en granit provenant des carrières de Senones.
L'église mesure 54 mètres de la façade à l'abside, 14 m 50 du pavé à la voûte de la grande nef. La hauteur de la voûte à la coupole centrale est de 16 mètres. La largeur de la grande nef est de 9m50, la largeur totale de l'édifice, au narthex est de 25 mètres, au transept de 33 mètres. Mgr. Foucault posa la première pierre en 1898 et consacra la nouvelle église en 1902. En 1903, Jules Carl, professeur à l'Ecole des Beaux Arts de Nancy, sculpta un haut-relief représentant une scène de la vie de saint Martin : saint Martin, évêque, visitant un enfant malade. En 1901, Henri Didier d'Epinal y installa un orgue de 34 jeux à trois claviers et pédalier.
En 1944, un obus traversa la voûte du choeur et les vitraux nord furent brisés lors de l'explosion du Grand Pont. Après la tempête de 1999, d'importants travaux ont été entrepris : réfection du clocher, restauration du coq, changement du cadran de l'horloge. En 2002, on fêta le centenaire de l'église en présence de Mgr. Guillaume, évêque de Saint-Dié.
L'ameublement
"Mélange des ors, des dentelles en chêne, des bronzes, des statues et des reliefs encadrent le tabernacle, une relique de Ste Libaire est enfermée dans l'autel.Le bas-relief du tombeau représente la Cène. Marie-Immaculée, sous les traits de N.D. de Lourdes, est au centre d'un des deux autels mineurs. Sur l'autre autel mineur, le Sacré Coeur est entouré de saint Pierre Fourier et de saint Romaric. Le chemin de croix est un quadrilobe romanisé. Les angles sont couverts d'ornenements genre Tourcoing et les sujets sont peints à l'émail sur cuivre rouge. En face de la chaire se trouve un Christ donné par les ouvriers de la paroisse. Les lustres sont en bronze doré ". (Semaine religieuse du 22 août 1902.