Шатровая церковь построена над захоронением второго основателя Ферапонтова монастыря преподобного Мартиниана у южной стены собора Рождества Богородицы. Резная надпись на белокаменной храмоздательной доске сообщает о завершении ее строительства 1 августа 1641 года, «Лета 1640 зачата бысть сия церковь во имя преподобного отца нашего игумена Мартиниана при благоверном царе и великом князе Михаиле Федоровиче всеа Русии и при благородном царевиче князе Алексее Михаиловиче и при митрополите Варламе ростовском и при игумене Герасиме и при строителе старце Митрофане. А совершена бысть церковь сия во 1641 году августа 1 дня».
Церковь построена кирилловскими мастерами. Объем церкви прост и лаконичен, небольшой куб с восьмигранным шатром и тонким барабаном. Световое решение интерьера церкви уникально, размещенные только вверху объема окна направляют своими софитами поток солнечных лучей на захоронение Мартиниана, создавая эффект его свечения. Неосвещенное пространство шатра, оканчивающееся световым барабаном, ассоциируется с туннелем, ведущим в Небесное Царство.
В 1502 году над могилой Мартиниана, на внешней южной стене собора Рождества Богородицы, иконописец Дионисий написал образ Богородицы Печерской с архангелами Михаилом и Гавриилом, святителем Николаем и припадающими на коленях к ногам Богородицы основателями монастыря, Ферапонтом и Мартинианом. После строительства каменной церкви преп. Мартиниана эта часть наружной росписи собора располагается в арочном проеме северной стены церкви Мартиниана. Здесь сохранилось очень редкое изображение еще неканонизированных в начале XVI века основателей монастыря Ферапонта и Мартиниана. Их причислили к лику святых только в середине этого века.
В церкви с 1838 года находится двухъярусный иконостас, изготовленный вологодским мещанином Николаем Милавиным. Резные царские врата не сохранили фигурок архангела Гавриила и Марии из сцены Благовещения. Надпись «Бессмертная трапеза» говорит о таинстве превращения хлеба и вина в Святые Дары, Плоть и Кровь Христовы.
