Шатровая церковь возведена над местом захоронения второго основателя Ферапонтова монастыря, преподобного Мартиниана, у южной стены собора Рождества Богородицы. На белокаменной храмоздательной доске вырезана надпись, сообщающая, что строительство завершилось 1 августа 1641 года. В 1640 году началось возведение церкви во имя преподобного игумена Мартиниана при царе Михаиле Федоровиче, царевиче Алексее Михайловиче, митрополите Варлааме Ростовском, игумене Герасиме и строителе старце Митрофане. Завершение строительства датируется 1 августа 1641 года.

Церковь была построена мастерами из Кириллова. Ее архитектура проста и выразительна: небольшой куб с восьмигранным шатром и тонким барабаном. Уникальное световое решение интерьера заключается в том, что окна, расположенные только в верхней части, направляют солнечные лучи на захоронение Мартиниана, создавая эффект его свечения. Неосвещенное пространство шатра, заканчивающееся световым барабаном, напоминает туннель, ведущий в Небесное Царство.

В 1502 году на внешней южной стене собора Рождества Богородицы иконописец Дионисий изобразил Богородицу Печерскую с архангелами Михаилом и Гавриилом, святителем Николаем и основателями монастыря, Ферапонтом и Мартинианом, припадающими к ногам Богородицы. После постройки каменной церкви Мартиниана эта часть росписи оказалась в арочном проеме северной стены церкви. Здесь сохранилось редкое изображение основателей монастыря, еще неканонизированных в начале XVI века, причисленных к лику святых лишь в середине этого века.

С 1838 года в церкви находится двухъярусный иконостас, созданный вологодским мещанином Николаем Милавиным. Резные царские врата утратили фигурки архангела Гавриила и Марии из сцены Благовещения. Надпись «Бессмертная трапеза» символизирует таинство превращения хлеба и вина в Святые Дары, Плоть и Кровь Христовы.