Una prima chiesa romanica, probabilmente ad una sola navata e dedicata a San Martino di Tours, sorse ad Alzano Maggiore forse già nel 1023. Tuttavia, solo nel 1457 e dopo lunghe controversie Alzano Maggiore diventa parrocchia autonoma. Fino ad allora era infatti soggetta, dal punto di vista religioso, alla Pieve di Nembro. Prima dell’autonomia, tra il 1421 e il 1442, viene costruito sulla sede dell’antica chiesa un edificio più ampio al quale, nel 1486, si aggiunge una torre campanaria. San Carlo Borromeo, nella sua visita apostolica del 1575, reputa la costruzione non confacente ai nuovi dettami controriformistici ed in cattivo stato, cominciano così i primi lavori di ristrutturazione. Nel 1656 un grosso lascito di 70.000 ducati d’oro viene destinato alla “fabbrica” della chiesa di San Martino da parte di un ricco mercante locale, Nicolò Valle. La Fabbriceria ha così la possibilità di decidere il completo rinnovamento della struttura esistente. Il progetto è affidato all’architetto Gerolamo Quadrio, già soprintendente per alcuni anni alla Fabbrica del Duomo di Milano. I lavori iniziano nel 1659.
L’interno, in stile barocco, presenta una pianta suddivisa in tre navate: la navata centrale, o maggiore, è ampia e solenne, le due laterali sono più composte, eleganti ed affiancate da una serie di cappelle che con il loro deciso risalto strutturale danno plasticità alle pareti di contenimento.
La navata centrale, all’imposta della volta, presenta una ricca fascia decorata con bellissimi stucchi opera della bottega del ticinese Giovanni Angelo Sala. Tra questi spiccano le statue ad altorilievo di figure allegoriche delle Virtù. La volta centrale è ornata con stucchi che sommergono le membrature architettoniche e racchiudono i dipinti di Pier Paolo Raggi e Giuseppe Pozzi. Si tratta nell’insieme di una complessa decorazione allegorica che assume aspetti ridondanti e stupefacenti in sintonia con la scenografica sensibilità barocca del periodo. A capo della navata centrale, ai lati dell’accesso al presbiterio, troviamo gli altari dalla ridondante scenografia barocca dedicati a Santa Felicita e San Bonifacio. Sulla sovrastante cantoria spicca il monumentale organo Serassi con le sue 2242 canne. La sistemazione del presbiterio circolare viene attuata soltanto nel 1793 da Giacomo Caniana. Qui si conservano dipinti databili tra la fine del Cinquecento e il primo Seicento attribuiti a Zucco, Cavagna, Palma il Giovane.
Il monumentale pulpito situato nella navata centrale, a ridosso del colonnato divisorio con la navata destra, fu commissionato nel 1711 dalla Fabbriceria di San Martino a Gian Battista Caniana che richiese espressamente la collaborazione di Andrea Fantoni. I lavori coinvolsero anche altre maestranze e si protrassero fino al 1751. L’insieme, pur nella sua complessità ed estrema vivacità, appare unitario e armonioso. Il colore è reso con marmi pregiati, tra cui il prezioso lapislazzulo. Al primo sguardo spiccano le quattro grandi statue in marmo bianco di Carrara, veri e propri telamoni posizionati sotto la “coppa” superiore che, per i loro studi di panneggi e le muscolature, possono essere definiti uno dei massimi capolavori del Fantoni.
Le due navate laterali, divise in cinque campate, sono caratterizzate da volte ornate da stucchi, festoni e fregi. Gli sfondi si contraddistinguono per le tenui tinte rosate e verde chiaro che conferiscono un aspetto aggraziato ed elegante. Gli affreschi risalgono al tardo Settecento, eseguiti da Vincenzo Orelli e rappresentanti allegorie e simboli di Virtù cristiane. Sulle campate di ciascuna navatella si aprono le cappelle laterali con i corrispettivi altari e le decorazioni a stucco dell’artista ticinese Eugenio Camuzio che segnano il passaggio a forme stilistiche tipiche della fase tardo barocca. Le cappelle, secondo i dettami della Controriforma, si affacciano sulle campate di ciascuna navata laterale, appaiono particolarmente armoniche nel loro insieme e ricche di pregevoli opere artistiche. Gli altari sono impreziositi da complessi intarsi geometrici e floreali realizzati con marmi preziosi dalle forti accentuazioni cromatiche e ospitano importanti dipinti, tra gli altri, di Giovanni Battista Piazzetta, Giambettino Cignaroli e Francesco Daggiù detto Cappella. Degni di nota sono i paliotti scultorei ed in particolare quello raffigurante il Cristo morto compianto da due angeli, opera fra le più pregevoli del Mazzetti.
La facciata della basilica, della quale si conservano nel museo i progetti originali, rimane incompiuta fino agli inizi del Novecento. Risalgono infatti al XVII secolo i tre portali d’ingresso, mentre la configurazione architettonica complessiva è opera dell’architetto Virginio Muzio; fra i più importanti professionisti dell’epoca, attivo in Alzano anche come architetto di fiducia della famiglia Pesenti.