Conocida inicialmente como Frómista del Camino, se ha apuntado que su nombre deriva del término latino frumentum (trigo). Desconocemos el origen de la población, si bien cobró importancia a raíz de la fundación del monasterio de San Martín en 1066. Desde esa época y hasta 1453, año en el que fue destruido por un incendio, pervivió un hospital. Su auge se consigna desde finales del siglo xi, gracias también al privilegiado enclave en el que se encontraba, encrucijada de caminos y en pleno eje socio-económico del reino castellano-leonés.
A fines del siglo xiii, contaba ya con tres barrios perfectamente configurados y cerrados por su respectivo encintado mural: Santa María, al este; San Pedro, al noroeste y San Martín, al suroeste, surgido en torno al priorato y a él sometido. Este último núcleo sufriría en fechas sucesivas las injerencias del poder local, a lo que contribuía sin duda la laxitud gubernamental del monasterio de San Zoilo de Carrión de los Condes, del que dependió el de Frómista desde 1118.
A fines del xiv, la entrega en encomienda del barrio a los señores de la población era ya una costumbre establecida. Las intromisiones sobre los derechos de San Zoilo en el barrio de San Martín concluyeron en 1427 con la venta, por parte del prior Pedro Pérez de Belorado, de la jurisdicción al señor de la villa, Gómez de Benavides, con excepción de la iglesia. Sólo unos años después, en 1437, el propio Gómez de Benavides y doña María Manrique fundaron en la propia villa el monasterio de Santa María, llamado de Nuestra Señora de la Misericordia y lo unieron a la congregación benedictina de Valladolid. En 1531, la iglesia de San Martín, conocida como San Martín del Milagro, se integraba, junto con San Zoilo de Carrión, a la misma congregación monástica.
A fines del siglo xv, Frómista alcanzó un considerable desarrollo: sabemos que en 1484 sólo el barrio de San Martín contaba con doscientos vecinos. Sin embargo, la expulsión de los judíos en 1492 repercutió de forma considerable, tanto demográfica como económicamente, ya que la aljama era una de las más importantes de la provincia. Por último, cabría señalar que a mediados del siglo xviii el control de los señores sobre la población había desaparecido.
La iglesia de San Martín es el único testimonio que nos ha llegado de un importante conjunto monástico perteneciente al patronato regio. Fundado en el año 1066 por la madre del entonces rey de Castilla y León, Fernando I, constituyó uno de los monasterios más prósperos de su territorio antes de ser entregado a la orden borgoñona de Cluny (1118).
El templo conservado en la actualidad se construyó hacia el año 1100 y, aunque muy restaurado a comienzos de este siglo, constituye uno de los más importantes edificios románicos de la península ibérica. La sencilla tipología planimétrica (basilical de tres naves, con sendos ábsides semicirculares y transepto no destacado en planta) se inscribe en un periodo que va desde las últimas décadas del siglo xi hasta, al menos, el primer cuarto del xii (catedral de Jaca, primera fase de la iglesia de San Isidoro de León, San Pedro de Arlanza, entre otras muestras). Pero el edificio destaca por la equilibrada y armónica disposición de sus volúmenes, la magnífica decoración escultórica que presenta tanto en su exterior como en su interior y la elaborada articulación de sus paramentos, que embellecen el exterior, mediante amplios vanos de medio punto que en la cabecera se complementan con columnas hasta la cornisa. Asimismo, no se pueden omitir las dos torres cilíndricas en los ángulos de su fachada occidental y el cimborrio octogonal, que compensan la horizontalidad de la iglesia.
En el interior, la limitada dimensión de las naves permitió que se las recubriera con bóvedas de cañón (de eje normal al templo) y con arcos fajones. En los tres ábsides escalonados, se adoptaron bóvedas horno. El crucero se cubrió mediante una cúpula semiesférica sobre trompas, en las que en se introdujeron esculturas con los cuatro evangelistas. Ésta, junto a la torre y la referida articulación absidal, ha sido la mayor aportación arquitectónica de Frómista, avalada por su reiteración en innumerables templos románicos castellano-leoneses.
Hay que mencionar también la escultura monumental del interior, que constituye una de las mejores colecciones de capiteles historiados en una iglesia de estas dimensiones. Destacan los de la cabecera y, particularmente, el llamado capitel de la Orestíada. Con la Desamortización de 1835, la pequeña iglesia entró rápidamente en un estado de tan preocupante degradación que obligó a su cierre, situación que se mantuvo hasta la última década del siglo xix. Fue entonces cuando se llevó a cabo la intervención, con un criterio reconstructivo bastante polémico que, sin embargo, respetó las líneas definitorias del edificio.
En época moderna, el templo de San Martín fue denominado San Martín del Milagro, debido a que se conservaba en el interior de su capilla mayor un relicario con una Sagrada Forma pegada a una patena. Según la tradición, el pecado de un penitente, que deseaba comulgar, impidió al clérigo desprender de la patena la Sagrada Forma que iba a suministrarle. Reconociendo su indisposición para recibir el sacramento, el pecador hubo de confesar sus faltas y, tras ser absuelto, pudo entonces recibirlo. Ocurrió esto el 25 de noviembre de 1453.
En el siglo xix, aún se mostraba el sepulcro del penitente frente a una de las puertas de la iglesia, así como la patena, ya sin la Forma que no quiso desprenderse. Durante el proceso de restauración del templo, a comienzos del presente siglo, se perdió el resto de una inscripción moderna (grabada sobre las dovelas del arco triunfal del ábside mayor) que hacía alusión a la capilla del Milagro.
Se encontraba ubicado en el arco del ábside mayor de la iglesia (lado derecho). En la actualidad, se conserva en el Museo de Palencia. Lamentablemente, la morbidez de los dos desnudos centrales se hizo merecedora de la barbarie y, tras el depósito del capitel durante la restauración del templo en espera de ser restituido, ambas figuras fueron salvajemente destruidas. Trasladado al museo de la capital, una copia, más o menos afortunada, lo sustituye desde entonces. A comienzos de siglo se insinuó que el taller que confeccionó este ejemplar pudo inspirarse en sarcófagos antiguos, y que el estilo no tuvo continuidad alguna en el resto de la obra, salvo en ciertos modillones del propio ábside.
Esta hipótesis se confirmó hace poco más de tres décadas, al encontrarse la fuente de inspiración directa en un sepulcro tardorromano (siglo ii d.C.) localizado en la colegiata de Santa María de Husillos, a 25 kilómetros de Frómista, y hoy en el Museo Arqueológico Nacional. En este sepulcro se recreaba el tema clásico de la Orestíada. Aunque el escultor no captó la temática representada, hizo una recreación libre y equilibrada, con una voluntad de reproducir la anatomía de los desnudos. Esta dirección clásica del autor que trabajó en Frómista coincide con las esculturas de la parte oriental de la catedral de Jaca, lo que ha hecho especular con la posibilidad de que se tratara de un mismo taller itinerante.
Por último, hay que señalar que esta corriente clasicista se percibe también en otras obras, como la desaparecida puerta norte de la catedral de Santiago de Compostela (Puerta Francígena), según se desprende del análisis de sus restos, o en la iglesia de San Isidoro de León.