A orixe de San Martiño Pinario remóntase á época do descubrimento do sepulcro do Apóstolo Santiago, no século IX, cando monxes bendictinos aséntanse nas súas inmediacións, nun lugar chamado Pinario. Na Idade Moderna, coa súa incorporación á reforma de Valladolid, o mosteiro se engrandece de tal forma que se considera, nese tempo, como o de maior superficie de España, despois do de San Lorenzo del Escorial.
A actual igrexa, cuxa primeira pedra colócase en 1590, debe as súas trazas a Mateo López, quen deseña un templo que debe adaptarse a unha localización dificultosa, debido ao terreo en pendente sobre o que se asenta.
Plantéxase contando cun profundo presbiterio, o que posibilita a existencia dun retrocoro, unha ampla sancristía e unha statio, que enlazaría o templo co resto do mosteiro. Conta tamén con amplo cruceiro e nave única con tres capelas a cada lado, enlazadas entre si. Chama a atención a extraordinaria altura da nave, debido en parte ao mencionado desnivel do terreo, e que permite manter unha fachada monumental cara ao exterior.
Na construción da igrexa tamén participa o arquitecto andaluz Bartolomé Fernández Lechuga, especialmente na parte do cruceiro, co deseño da cúpula, que evoca á da catedral de Granada. Destaca este cruceiro pola luminosidade que emana da lanterna da cúpula e das xanelas laterais.

A nova igrexa conságrase no ano 1648, aínda que continúan varias obras, como as que vai dirixir o arquitecto salmantino José Peña de Toro, en 1652. A súa primeira misión consiste en reforzar a estrutura da cúpula. Posteriormente é el quen define dun modo diferente a fachadado templo, abrindo xanelas aos lados e buscando o modo de construír dúas torres, que o cabido catedralicio impediu realizar en 1657.
A partir de 1685, o monxe benedictino frei Tomás Alonso, acomete a obra de substituír o antigo coro alto, trazado por Mateo López, por outro, coa súa bóveda plana, prolongado por balcóns que discorren aos lados da nave, onde destacan as súas traballadas ménsulas. 
A finais do século XVII, frei Gabriel de Casas acomete as obras da monumental sancristía, xunto coas súas dependencias anexas (statio e antesacristía). Responde esta sancristía a un plan central, en cruz grega cuberta por unha media laranxa, asentada sobre bóvedas de canón, unha vez máis con casetóns en todo este espazo de cubertas.
Xa no século XVIII, en 1739, constrúese a capela da Virxe do Socorro, seguindo as trazas de Fernando de Casas, o mesmo arquitecto que máis tarde executará a nova fachada do Obradoiro na catedral. Tras a desamortización, esta capela será a que continuará mantendo o culto, como parroquia de San Xoán Evanxelista, ata o seu traslado definitivo ao novo barrio de Vista Alegre, na década dos 80 do século XX.