La costruzione del duomo venne attuata a partire dal XIV secolo, su un sito precedentemente occupato da una chiesa romanica e da un cimitero. Nel 1452 il duomo venne consacrato, ma i lavori di completamento dell'opera si protrassero anche nei secoli successivi. Dal 1563 al 1830 San Martino fu la chiesa dell'incoronazione dei re d'Ungheria. Il primo re a ricevere la corona di Santo Stefano in San Martino fu Massimiliano II; in totale undici sovrani vennero qui incoronati, compresa Maria Teresa d'Austria.

Nel 1995, quando l'arcidiocesi di Trnava prese il nome di Trnava-Bratislava, il duomo di San Martino fu elevato a concattedrale. Nel 2008, a seguito dell'erezione dell'arcidiocesi di Bratislava, assunse il titolo di cattedrale metropolitana.