Costruita per accogliere le reliquie dei più antichi protettori della città e della casata sabauda, i Santi Martiri Avventore, Ottavio e Solutore, la chiesa suggellò l’alleanza del duca Emanuele Filiberto, presente alla posa della prima pietra nel 1577, e i Gesuiti, chiamati a Torino negli anni Sessanta del Cinquecento a dirigere un collegio nell’Isola di San Paolo, tra le antiche vie di Dora Grossa (oggi Garibaldi) e dei Guardinfanti (oggi Barbaroux). La chiesa, progettata da Pellegrino Pellegrini detto Tibaldi (1527-1596), pittore e architetto in quegli anni attivo a Milano per il cardinale Carlo Borromeo, fu resa officiabile entro il 1583, per accogliere solennemente il 10 gennaio 1584 le reliquie dei santi. Tuttavia i lavori di rifinitura e decorazione interna si protrassero ancora almeno agli anni Cinquanta del secolo successivo. Raccolto in un’unica navata, l’interno è caratterizzato dal monumentale affaccio delle cappelle laterali che sviluppa ed enfatizza il motivo della cosiddetta serliana, descritto da un arco a tutto sesto su coppie di colonne in marmo a inquadrare gli altari, affiancato da aperture laterali simmetriche trabeate, che accolgono confessionali, e da coretti al livello superiore. Lo stesso schema ad arco trionfale traccia il disegno dei fianchi esterni della chiesa, chiaramente leggibile lungo il lato libero che costeggia via Botero. Solo in tempi successivi, tra il 1708 e il 1724, fu ampliato il presbiterio e innalzata la cupola insieme al campanile, progettati dall’ingegnere Carlo Giulio Quadro.
Nel 1730 la preziosa urna in bronzo dorato con le reliquie dei Santi Martiri fu inglobata in un nuovo monumentale altare maggiore progettato dal primo architetto di corte, Filippo Juvarra (1678-1736), a sostituzione del precedente innalzato, tra il 1664 e il 1667, dall’impresa del luganese Tommaso Carlone grazie ad un lascito testamentario della prima Madama Reale, Cristina di Francia (1606-1663). Gli stemmi della duchessa compaiono ancora sugli altari laterali del presbiterio, a testimonianza del precedente allestimento. Tra il 1765 e il 1766 fu collocato alle spalle del nuovo altare maggiore il grande quadro ovale con i Santi Martiri che invocano la protezione della Madonna per la città di Torino, opera del pittore romano Gregorio Guglielmi (1714-1773).
La prima cappella di destra in testa alla navata custodiva in origine le reliquie dei Santi Martiri e, per questo motivo, fu la prima porzione della chiesa a essere completata. La cappella fu ceduta in un secondo tempo alla Compagnia di San Paolo che la dedicò al proprio santo patrono e ne curò il riallestimento. I confratelli, tra il 1629 e il 1632, commissionarono la preziosa decorazione marmorea al capomastro Bartolomeo Rusca. La pala d’altare, che rappresenta la severa figura frontale di San Paolo, datata 1607, è attribuita da alcuni al pittore Federico Zuccari.
La seconda cappella a sinistra, dedicata al fondatore della Compagnia di Gesù, sant’Ignazio di Loyola (già della Circoncisione di N.S. Gesù Cristo) venne compiuta, su progetto del padre gesuita e pittore Andrea Pozzo (1642-1709), dagli scultori Giuseppe Maria e Giovanni Domenico Carlone tra il 1678 e il 1681. I lavori vennero diretti dai Fratelli della Compagnia di Gesù per il conte Giovanni Antonio Turinetti di Priero che, nel 1677, aveva acquistato la cappella dalla contessa Ludovica Masserati. Pochi anni dopo l’altare venne arricchito dalla pala con Cristo che appare a sant’Ignazio del pittore Sebastiano Taricco. Si può invece attribuire ad un artista romano la dinamica composizione che sorregge la mensa dell’altare, con due angeli in bronzo che mostrano una cartella che racchiude l’immagine del santo in preghiera davanti alla Madonna di Monserrat (è verosimile che anche questa soluzione fosse stata realizzata su suggerimento di Andrea Pozzo). Il pittore, tra il 1677 e il 1680, era presente ai Santi Martiri per affrescarne la volta con uno scenografico fondale architettonico con Sant’Ignazio portato in gloria dagli angeli. Oggi è ancora possibile vedere una piccola parte di quei dipinti, sostituiti tra il 1842 e il 1844 dalle pitture di Luigi Vacca, sull’arcone posto tra il presbiterio e la navata (due Angeli musicanti) e sulla parete di controfacciata della chiesa (Putti che sorreggono un cartiglio e Concerto d’angeli).

La Chiesa dei Santi Martiri fu danneggiata durante i bombardamenti dell'8 dicembre 1942 e del 13 luglio 1943 riportando lesioni alla copertura del tetto e ai muri, totale rottura dei vetri e vetrate artistiche. Nel giugno del 1944 risultavano già eseguite parziali opere di ripristino.

1678-1680 − Decorazione della volta;

1708-1724 −Ampliamento del presbiterio, innalzamento della cupola e del campanile;

1725-1728 −Costruzione della nuova sacrestia;

1727-1730− Rifacimento e ingrandimento dell’altare maggiore.