Tot i els indicis de poblament ibèric i romà al turó de la Roca, les primeres referències documentades són del segle X, quan el castell feia les funcions de punt de guaita i protecció.
La família Santmartí va ser la primera propietària del castell de Sant Martí i van fer construir, al segle XI, l’adjacent església de Santa Maria.
Els Santmartí, emparentats amb Mir Geribert, intitulat príncep d’Olèrdola, van viure l’època de màxima esplendor a principis del segle XIII. En aquells moments posseïen, a més del castell de Sant Martí, els de Subirats, Olèrdola, Eramprunyà, Falset i Móra, i van decidir ampliar i reconsagrar l’església de Santa Maria.
Amb l’extinció de la línia dels Santmartí, el castell va passar a mans de diverses famílies, fins que torna a aparèixer en un capítol rellevant en servir de refugi a la reina Sibil·la el 1387.
Els següents propietaris, els Cervelló, van vendre el castell a la Pia Almoina de Barcelona el 1481. Encara sota control de la Seu, el castell de Sant Martí va jugar un paper destacat en la Guerra dels Segadors, ja que va ser un dels últims baluards a caure, juntament amb el de Cardona.
El 1782, el castell va tornar a fortificar-se, però la Primera Guerra Carlina va provocar-ne l’enrunament. La població que havia crescut a redós del castell des de la baixa edat mitjana també va ser molt malmesa en aquell conflicte, i a partir de llavors va començar a créixer al pla.