Accanto alla chiesa di S. Giuseppe dei Falegnami, sorge questa monumentale chiesa, opera di Pietro da Cortona,che vi si dedicò durante tutta la propria esistenza. Originariamente fu fondata da papa Onorio I  (625-638) nell'aula del Secretarium Senatus, dedicandola a S. Martina. Nel 1588 fu concessa daSisto V alla da poco fondata Accademia del Disegno detta di S. luca (l'evangelista Luca essendo patrono degli artisti). A partire dal 1623-24, se ne iniziò la costruzione, dapprima su di un progetto iniziale di Pietro da Cortena che rimase inattuato per mancanza di fondi. Ma nel 1634 lo stesso artista fu nominato principe dell'Accademia, e col contributo del cardinale Francesco Barberini fu iniziata la ricostruzione a partire dalla cripta, dove nel corso dei lavori furono ritrovate le reliquie di S. Martina e di altri martiri, il che suscitò grande commozione e diede ulteriore slancio ai lavori, per la costruzione totale della chiesa. Questa venne completata all'esterno nel 1664, mentre le decorazioni interne proseguirono fino al 1730. Sul fianco della chiesa, lungo la scomparsa via Bonella, era l'edificio che ospitava l'accademia di S. Luca. A causa delle demolizioni per la realizzazione di via dei Fori Imperiali, nel 1932-34 la sede fu demolita e, dopo un tentativo di ricostruirla sullo stesso sito, fu ospitata a partire dal 1935 nel palazzo Carpegna, vicino Fontana di Trevi, trasferendovi anche la galleria, l'archivio e la biblioteca. Sempre in conseguenza degli interventi degli anni trenta,la chiesa fu isolata con la demolizione di tutti gli edifici che la circondavano e quindi si dovette effettuare l'attuale rivestimento sui fianchi. Inoltre, come gia detto, per mettere in luce la facciata del Carcere Mamertino fu abbassato il livello della piazza e quindi vennero aggiunti gradini alla scalinata di accesso alla chiesa.Osservando la facciata marcatamente verticale, con una sorta di contrazione degli elementi architettonici che suggerisce l'idea di una forza compressa, si possono mettere a paragone due diverse concezioni dell'architettura barocca, nelle loro differenze ed analogie, confrontando la facciata stessa, ad esempio, con quella borrominiana di S. Carlo alle Quattro Fontane. molto bella è anche la slanciata cupola, solcata da costoloni. L'interno, spazialmente di grande equilibrio, è largamente disegnato dagli effetti diluce che movimentano l'articolazione della pianta a croce greca e fanno risaltare le ricche decorazioni in stucco delle volte e della cupola. Da notare, nei pennacchi di questa, i simboli degli evangelisti, del 1730. Sul pavimento della navata, lastra tombale di Pietro da Cortona. Ricco altare maggiore, con copia del quadro di Raffello, ora conservata nella Galleria dell'Accademia, S. Luca che dipinge la Vergine(la copia è di Antiveduto Grammatica). Sotto la mensa dell'altare, statua giacente di S. Martina, di Niccolò Menghini (1635). Si scende alla chiesa inferiore, un vano rettangolare interrotto a metà da un ottagono: al centro lo splendido altare di S. Martina, su disegno di Pietro da Cortona, in bronzo e intarsio di marmi policromi. Sull'altare un rilievo in alabastro di Cosimo Fancelli. Nel sotterraneo ci sono anche due rilievi di Alessandro Algardi. Diversi arredi destinati alla chiesa per testamento da Pietro da Cortona sono ora conservati nel Conservatorio di S. Eufemia, in via Guattani, sulla Nomentana.