Im alten urbanen Wohnzentrum erbaut, geht die erste Information darüber auf das Jahr 547 zurück, als Bischof Felice – aus Dankbarkeit – sie dem heiligen Martin, Bischof von Tours, widmete. Von der ursprünglichen hochmittelalterlichen Kirche sind einige Steinfragmente mit geflochtenen Dekorationsmotiven (9.-10. Jahrhundert) erhalten geblieben, die während der Restaurierungen nach dem Erdbeben von 1936 als Material verwendet wurden. Von ihren Altären aus dem 14. Jahrhundert sind die sogenannte Arche der Azzoni, die im Inneren des Glockenturms eingemauert ist, und die der Avoscano, die heute als Tisch des Altars in der Krypta dient, erhalten geblieben.
Im Jahr 1471 zwang ein zufälliger Brand zum Wiederaufbau des Doms, der zuvor zur Piave ausgerichtet war. Die neue Kathedrale wurde ab 1517 nach den Entwürfen von Tullio Lombardo errichtet und im 17. und 18. Jahrhundert von den Bischöfen, die an der Spitze der bellunesischen Kirche standen, nach und nach bereichert.
Im Jahr 1732 wurde der barocke Glockenturm, entworfen von Filippo Juvarra, errichtet und sie wurde 1980 zur Minorbasilika erhoben.
Im Inneren sind zahlreiche Werke bedeutender Künstler wie Cesare Vecellio, Andrea Meldolla genannt lo Schiavone, Jacopo Da Ponte, Andrea Brustolon, Gaspare Diziani und andere erhalten.
