La chiesa viene citata nella bolla Justis fratrum di papa Eugenio III del 3 maggio 1152, nella quale sono annoverate le pievi comprese nella diocesi di Treviso (plebem de Martiliago cum pertinentiis suis). Già nel XII sec. aveva giurisdizione sulle cappelle di Maerne, Robegano, Peseggia e Cappella, come viene riportato dalQuaternus decimæ generalis impositæ contra Turcos anno 1330. L’attuale edificio fu costruito verso la fine del XVIII secolo: i lavori di fabbricazione della nuova chiesa iniziarono nel 1770 su disegno degli architetti Pietro Checchia di Venezia e Andrea Zorzi di Treviso, e venne consacrata il 21 settembre 1777 dal vescovo di Treviso Paolo Francesco Giustiniani.