Martinkirkko är ett högklassigt exempel på 1930-talets nysakliga klassicism och en byggnad som gör starkt intryck i stadsbilden. Den tegelbyggda, ljust putsade kyrkan är anpassad till terrängformerna på Sotalaisbacken vid Aura ås östra strand och är till formen en långkyrka. I änden mot altaret skjuter ett kor ut från huvudaxeln, smalare och lägre än långhuset, och på den södra långsidan skjuter sakristian ut.
Bredvid huvudingången reser sig ett klocktorn av campaniletyp med rakt avslut, förenat med långhuset genom en trappbyggnad. Huvudskeppet reser sig basilikalt högre än de smala sidoskeppen, som har krympt till gångar, och täcks av ett tämligen flackt sadeltak. Kyrksalens huvudskepp täcks av ett kraftigt format tunnvalv av betong som betonas av tvärgående ”band”.
Valvet bärs upp av stödpelare som genombryts av gångöppningarna i de smala sidoskeppen. Korets bakvägg täcks av en stor monumentalmålning som föreställer Kristus på korset. Den är utförd av konstnärerna Einari Vehmas och Karl Ingelius. Till kyrkan kommer man från två håll, längs en stenlagd väg kantad av trädplanteringar och längs stentrappor som stiger upp från sidan mot Aura å. Martins församlingshus intill kyrkan är ritat av arkitekten Albert Richardtson. På andra sidan Tempelgatan ligger arkitekten Aulis Blomstedts Invaliditalo från 1951, vars balkongfasad öppnar sig mot kyrkan.
