Avec l’implantation de la ligne du Chemin de Fer et de la caserne du 70e R.I. durant la seconde moitié du XIXe siècle, l’ancienne église Saint-Martin, situé dans le cimetière Saint-Martin et dont il ne reste plus aujourd’hui que la tour du clocher, était devenue trop petite et excentrée par rapport aux nouveaux quartiers.
Il fut donc décidé d’en élever une nouvelle, en pierre de schiste local. De dimensions imposantes, elle domine la ville par sa situation, lieu de passage obligé et fait ainsi "contrepoids" à l’église Notre-Dame, la "rivale" de toujours. Les architectes rennais Mellet, dont le père Jacques était originaire de Vitré, fervents catholiques, furent désignés. Admirateurs de l’art roman, ils choisirent, pour parti architectural d’ensemble, le style néo-roman, bien que le voûtement intérieur soit fait d’ogives.
Le plan est celui de la croix latine, orienté, au transept non débordant. Le vaisseau central, constitué de cinq travées, est bordé de deux bas-côtés qui se prolongent en déambulatoire autour du chœur. L’élévation est traditionnelle, à trois niveaux : grandes arcades, larges tribunes, fenêtres hautes. Le point focal de l’ensemble est la coupole, située à la croisée du transept.