Czas powstania pierwotnego, średniowiecznego kościoła św. Marcina jest bardzo trudny do ścisłego określenia. Po raz pierwszy jest on wzmiankowany w spisach świętopietrza z lat 1325 – 1327. Jan Długosz w Liber Beneficiorum podaje, że kościół był fundacją rycerską rodów Gryfitów i Ostojów. XIV-wieczne pochodzenie pierwotnego kościoła potwierdza też fakt uwzględnienia go przy formowaniu tzw. II układu urbanistycznego na Okole co nastąpiło po 1312, a przed 1336 rokiem. Kolejną wskazówką w dziejach kościoła jest informacja, iż przed zajęciem go przez Zakon Karmelitanek Bosych, stanowił on przytułek dla księży emerytów fundacji kardynała Bernarda Maciejowskiego. Wyobrażenie wyglądu kościoła średniowiecznego daje nam, jak pisze J. Żmudziński, pochodzący z 1618 r. krótki opis zamieszczony w Kronice krakowskiego konwentu Karmelitanek Bosych, które w tym czasie osadzone zostały przy tej świątyni:
Wejście do kościoła tego zaraz było z ulicy, chór kościoła, kędy był wielki ołtarz, był zasklepiony, a od samego wejścia powała była i nazbyt stara, od wielkiego ołtarza była przegroda, albo przedział kratą żelazną od ściany do ściany, która była piękna i wzorzysta; za tą kratą na kościele były dwa ołtarze z jednej strony jeden, z drugiej drugi.
Zawarta w opisie informacja o tym, że prezbiterium, w przeciwieństwie do nawy było sklepione według J. Żmudzińskiego sugeruje gotyckie pochodzenie tej części budowli.
7 sierpnia 1618 r. przy kościele św. Marcina za staraniem Mikołaja Zebrzydowskiego osadzone zostały Karmelitanki Bose, które w 1612 r. sprowadziła z Belgii Konstancja z Mirowa Burzyńska (Bużeńska). Otrzymawszy kościół i kilka sąsiednich posesji, przystąpiły do budowy klasztoru, której w latach 1619-1621 dokonał architekt królewski Jan Trevano. Budynek, jak pisze B. J. Wanat – wzniesiony został według przepisów i reguł obowiązujących budownictwo zakonne. Klasztor miał składać się z dwóch części: zewnętrznej, zawierającej m. in. furtę, zorganizowaną wokół małego dziedzińca, oraz wewnętrznej, czyli właściwego klasztoru, gdzie wokół krużgankowego wirydarza grupowały się główne zabudowania konwentu8. W czerwcu 1637 roku Karmelitanki rozpoczęły budowę nowego barokowego kościoła zakończoną w roku 1639. Przeciw budowie zaprotestowały jednak Klaryski, obawiające się, że nowa większa budowla będzie przysłaniać ich posesję. Ostatecznie konsekracja nastąpiła 24 kwietnia 1644 r., a dokonał jej bp krakowski Piotr Gembicki. Świątynię wybudowano z posagu s. Teresy Marii od św. Józefa (córki ks. Ferdynanda Falzgrafa Renu i Marii), która wstąpiła do klasztoru w 1634 r.10.
Kościół do chwili obecnej zachował się w takiej postaci, jaką uzyskał w drugiej ćwierci XVII wieku. Zmieniało się jedynie jego wyposażenie. Źródła nie podają jakie zniszczenia nastąpiły podczas okupacji szwedzkiej w latach 1655-1657, prawdopodobnie częściowo zdewastowano lub usunięto wyposażenie wnętrza. Parafia została odnowiona i rekoncyliowana w 1658 roku i pozostał w rękach Karmelitanek do 9 października 1787 r., kiedy to:
(…)z rozporządzenia Michała Poniatowskiego, prymasa i administratora diecezji krakowskiej, musiały opuścić swój dom i przeprowadzić się do drugiego klasztoru Karmelitanek przy ul. Kopernika w dzielnicy Wesoła.
Przez około trzydzieści lat po kasacie konwentu kościół i klasztor były pozbawione stałego użytkownika. Dopiero 8 sierpnia nowym uprawomocnieniem.
