La chiesa, di origine medievale come indicano gli stemmi giudicali con i pali d'Aragona affiancati all'albero deradicato d'Arborea scolpiti in un capitello, fu edificata in epoca imprecisata. La sua prima menzione figura in un atto di donazione del giudice d'Arborea Pietro II e della moglie Diana, datato 18 gennaio 1228. Il 29 marzo 1410 l'edificio sacro accolse la stesura del Trattato della Pace di San Martino firmata da Pietro Torrelles, luogotenente del re d'Aragona Martino il Vecchio e da Leonardo Cubello, guida delle schiere sarde. Con questo documento il Regno d'Aragona, vincitore nella sanguinosa battaglia di Sanluri del 1409, decretò la fine di fatto del giudicato d'Arborea e, avocandone il territorio, lo infeudò al vassallo Leonardo Cubello con il titolo di Marchese di Oristano e Conte del Goceano.

Dal libro dei conti del monastero, il Condaxi Cabrevadu, steso tra il 1415 e il 1550, si evince che fino alla prima metà del 1500 esso fu abitato da monache benedettine, che possedevano un consistente patrimonio immobiliare. Con la bolla Sacrae religionis sinceritas del 12 aprile 1568, il Papa Pio V concesse ai domenicani la facoltà di erigere in Sardegna conventi dell'Ordine, accettando l'anno successivo la fondazione del convento in Oristano. Nel 1570 furono quindi istituite scuole con lezioni di lettere, filosofia e teologia. Il convento domenicano di Oristano fu soppresso nel 1832 e occupato nello stesso anno dall'ordine degli Ospedalieri che, lasciando il vecchio Ospedale cittadino di Sant'Antonio Abate, chiamarono il nuovo con la denominazione di Ospedale di San Martino. Parte della struttura attualmente occupata da servizi di assistenza sanitaria.