De eerste Sint-Martinuskerk dateert uit de 10de eeuw en behoorde bij de Gentse Sint-Pietersabdij. Zoals zovele kerken wordt deze gedurende de ganse middeleeuwen telkens uitgebreid in de bijhorende romaanse of gotische stijl. Ze wordt ook tot twee keer toe geplunderd: 1559 door Gentse calvinisten of Geuzen en tijdens de Negenjarige Oorlog (1688-1697) door de Fransen. Tijdens de 17de eeuw wordt deze kerk uitgebouwd als een hallenkerk. De vervallen kerk wordt in 1841 volledig herbouwd in neoclassicistische stijl naar plannen van medepastoor Jan August Clarysse uit Watou en de werken worden uitgevoerd door Albert Debacker uit Wakken. Tijdens de tweede helft van de 19de eeuw wordt de nieuwe kerk aangekleed en gemeubeld inclusief met het Jan Van Belleorgel en een nieuwe klok met afbeelding van de 12 apostelen.
Daarnaast bezit de kerk enkele bijzondere stukken zoals de neoclassicistische altaren en verschillende werken van de Antwerpse beeldhouwer Willem Geefs (1805-1883). Ook de 20ste-eeuwse glasramen zijn de moeite om bij stil te staan.
Dat de kerk ooit verwant was met de Sint-Pietersabdij te Gent is nog af te lezen in de glasramen uit ca1900 met voorstelling van het 18de eeuwse bisschoppelijk wapenschild van de abdij. In 1947 mocht de Brugse glazenier Joos Marechal
Het hoofdaltaar in geschilderd hout heeft op het tabernakel een basreliëf van de Emmaüsgangers. De versiering is op en top neoclassicisme met Korintische halfzuilen, grote symmetrische guirlandes en strakke vormgeving. De zijaltaren, gewijd aan Maria en H. Abt Antonius, hebben dezelfde vormentaal maar met geschilderd en gedeeltelijk gemarmerd hout.
De Antwerpse beeldhouwer Willem Geefs is bekend bij het brede publiek o.w.v. het Rubens standbeeld op de Antwerpse Groenplaats (1843), het beeld van koning Leopold I van België voor de Congreskolom in Brussel (1859) en talrijke andere grafmonumenten en standbeelden van nationale helden. Voor de Desselgemse Sint Martinuskerk heeft hij ca1850 enkele meesterwerken gemaakt. Van zijn hand zijn de twee biechtstoelen (gewijd aan Jezus en harpspelende Koning David) en de ooit indrukwekkende communiebank. Deze laatste werd zoals velen na het Tweede Vaticaans Concilie (1962-1965) verwerkt in het nieuw altaar en een lezenaar; en dus thans verdwenen als communiebank. Het derde stuk is de indrukwekkende gesigneerde en gedateerde preekstoel uit 1853. De panelen van de kuip zijn versierd met taferelen uit het leven van Jezus afgewisseld met de symbolen van de vier evangelisten. Een beeldengroep met de voorstelling van Jezus die de sleutels overhandigt aan Petrus staat onder de kuip. Het paneel achteraan de kuip stelt de patroonheilige van deze kerk voor: de heilige Martinus van Tours deelt zijn mantel met een bedelaar. Een gelijkaardige preekstoel van de hand van Willem Geefs en J Dubois uit 1851 staat ook in de Sint-Petrus en Sint-Pauluskerk in Hansbeke.
Het pronkstuk is ongetwijfeld het orgel op het doksaal afkomstig uit de Sint-Augustijnenabdij van Zonnebeke (wapenschild abt Jacobus Piers 1671-1699) en gemaakt door Jan Van Belle in 1680. Het orgel, dat in 1870 verhuisde naar Desselgem, heeft een rijkversierde orgelkast. Pieter Loncke paste het binnenwerk aan in 1873. Na de restauratie van 1990 besloot men de twee terug te splitsen. De Loncke-orgel werd dan in een nieuwe orgelkast geplaatst recht tegenover de preekstoel.