De style néogothique, elle fut construite sur un projet de l’architecte Gustave Alaux (1816-1882), en remplacement d’une église romane trop vétuste, située place du 4 septembre. Elle fut consacrée par le cardinal Donnet à la Toussaint 1857 alors que seul le chœur était achevé.
Le 8 septembre 1866, le cardinal Donnet donne à cette nouvelle église le vocable de Notre Dame, mais le bâtiment a gardé le patronyme de l’ancienne église, saint Martin.
Dans son état actuel, l’église a bénéficié d’importants travaux réalisés par la ville d’Eysines en 1999 puis de 2009 à 2011 par l’architecte Denis Boulanger.
Le 9 octobre 2022, Monseigneur Jean-Paul James est venu bénir la statue de Notre Dame d’Eysines, Vierge à l’enfant du XIV ° siècle, offerte par un généreux paroissien en 2005, et inscrite sur la liste complémentaire des Monuments historiques en 2021.
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