El origen de San Martín Pinario se remonta a la época del descubrimiento del sepulcro del Apóstol Santiago, en el siglo IX, cuando monjes bendictinos se asientan en sus inmediaciones, en un lugar llamado Pinario. En la Edad Moderna, con su incorporación a la reforma de Valladolid, el monasterio se engrandece de tal forma que se considera, en ese tiempo, como el de mayor superficie de España, después del de San Lorenzo del Escorial.
La actual iglesia, cuya primera piedra se coloca en 1590, debe sus trazas a Mateo López, quien diseña un templo que debe adaptarse a una ubicación dificultosa, debido al terreno en pendiente sobre el que se asienta.
Se plantea contando con un profundo presbiterio, lo que posibilita la existencia de un retrocoro, una amplia sacristía y una statio, que enlazaría el templo con el resto del monasterio. Cuenta también con amplio crucero y nave única con tres capillas a cada lado, enlazadas entre sí.
Llama la atención la extraordinaria altura de la nave, debido en parte al mencionado desnivel del terreno, y que permite mantener una fachada monumental hacia el exterior.
En la construcción de la iglesia también participa en arquitecto andaluz Bartolomé Fernández Lechuga, especialmente en la parte del crucero, con el diseño de la cúpula, que evoca a la de la catedral de Granada.

Destaca este crucero por la luminosidad que emana de la linterna de la cúpula y de las ventanas laterales.
La nueva iglesia se consagra en el año 1648, si bien continúan varias obras, como las que va a dirigir el arquitecto salmantino José Peña de Toro, en 1652. Su primera misión consiste en reforzar la estructura de la cúpula. Posteriormente es él quien define de un modo diferente la fachada del templo, abriendo ventanas a los lados y buscando el modo de construir dos torres, que el cabildo catedralicio impidió realizar por 1657.
A partir de 1685, el monje benedictino fray Tomás Alonso, acomete la obra de sustituir el antiguo coro alto, trazado por Mateo López, por otro, con su bóveda plana, prolongado por balcones que discurren a los lados de la nave, donde destacan sus trabajadas ménsulas.
A finales del siglo XVII, fray Gabriel de Casas acomete las obras de la monumental sacristía, junto con sus dependencias anejas (statio y antesacristía). Responde esta sacristía a un plan central, en cruz griega cubierta por una media naranja, asentada sobre bóvedas de cañón, una vez más con casetones en todo este espacio de cubiertas.
Ya en el siglo XVIII, en 1739, se construye la capilla de la Virgen del Socorro, siguiendo las trazas de Fernando de Casas, el mismo arquitecto que más tarde ejecutará la nueva fachada del Obradoiro en la catedral. Tras la desamortización, esta capilla será la que continuará manteniendo el culto, como parroquia de San Juan Evangelista, hasta su traslado definitivo al nuevo barrio de Vista Alegre, en la década de los 80 del siglo XX.