Le prieuré de La Capelle Saint-Martin est uni en 1203, par Hugues, évêque de Rodez, à l’abbaye de Bonnecombe. L’église ne présente cependant pas d’élévation antérieure à la fin du 15e siècle, même si le remploi de sarcophages en partie basse du mur sud du chevet atteste bien l’antériorité du site.
L’église paraît avoir été édifiée en au moins deux grandes campagnes de construction au 15e siècle : le chœur, surmonté de deux niveaux et peut-être la partie basse de la nef, puis les deux niveaux surmontant la nef (la maçonnerie de ces derniers est accolée à l’élévation ouest des niveaux surmontant le chœur). L’existence de deux chantiers, l’un au-dessus de la nef et l’autre au-dessus du chœur, pourrait s’expliquer par les modes de financement distincts voire l’existence de deux maîtres d’ouvrage, comme cela est attesté pour l’église d’Inières, située à l’est de Rodez sur la commune de Sainte-Radegonde.
Les deux niveaux supérieurs de l’église sont assimilés par la tradition orale à des greniers et cellules pour les moines de l’abbaye de Bonnecombe. Au 17e siècle, une des chambres est tenue par « feu noble Amans d’Hébrard, seigneur de Saint-Geniès (...) une chambre dans la tour au-dessus de l’église de la Capelle, confrontant d’une part chambre de François Bec, d’autre part chambre du recteur ».
Les deux chapelles, l’une au nord et l’autre au sud, sont attestées à l’Époque moderne. Si la première, dite de la Vierge, semble bien contemporaine de la reconstruction de l’édifice à la fin du 15e siècle, la seconde a été aménagée dans un second temps, comme le montre l’élévation extérieure orientale qui englobe nettement un contrefort de l’église. Toutefois, la niche en accolade et les culots figurés aux retombées des nervures de voûtes peuvent également être datés de la fin du 15e siècle ou du début du 16e siècle.
La paroisse est supprimée par décret impérial en 1807 et l’église est rattachée à la paroisse de Flavin. Au rétablissement du culte en 1820, l’église est en très mauvais état : durant la Révolution, elle a été « dépouillée de tous les vases sacrés, des ornements les plus précieux ; de toutes les cloches d’un poids assez conséquent ; un assez vaste presbytère fut vendu et enfin la paroisse supprimée » (AD 12, 4 V 17, courrier des paroissiens au préfet, le 4 janvier 1828). Quelques travaux sont effectués : les paroissiens font construire un presbytère et « un petit clocher en flèche » avec une cloche en 1822 (courrier du curé le 4 mai 1860). Toutefois l’église ne comporte alors ni tribune, ni sacristie.
En 1834, la curé Jean Fabry (ou Fabre ?) trouve « cette petite église dans un état tout à fait indigne de la maison du Seigneur. » De nouvelles réparations sont alors réalisées, probablement sous la conduite de l’architecte Jacques Bertrand à Rodez dont un devis est approuvé en août 1834. La couverture de la nef et de l’une des chapelles est remise à neuf, de même que le « plafond » (voûte) de la nef. Une sacristie est réalisée. Le mobilier et la décoration sont également complétés et le curé commande notamment trois nouveaux autels et deux tableaux au peintre Jean-Baptiste Delmas (Notre-Dame du Rosaire et le Sacré-Cœur, 1840).
A l’occasion de sa visite le 7 avril 1879, l’évêque Mgr Bourret, considérant que l’église est trop petite, délivre l’ordonnance suivante : « il faudrait aussitôt qu’on en a les moyens ajouter une nef au sanctuaire actuel qui ne manque pas de caractère, y pratiquer des fenêtres dans le style de ce sanctuaire, et faire une voûte qui en soit la continuation ; faire une sacristie exposée au midi avec vestiaire et armoire ; ouvrir la fenêtre de l’absidiole cachée par le retable actuel. »
Une campagne de travaux est menée au cours de la décennie suivante. D’après Ferrieu, le clocher qui se trouvait au sud-ouest est reconstruit en 1889 au nord de l’église, au-dessus de la chapelle de la Vierge. Une coupe transversale non datée de l’église permet d’observer les dispositions de l’ancien clocher. Il semble par ailleurs que des vitraux aient été commandés : ceux du chœur paraissent en effet dater de la fin du 19e siècle.
Le principal vœu de Mgr Bourret est exhaussé au début des années 1920. En 1923, la commune vote un budget pour la restauration et l’agrandissement de l’église. Les travaux doivent être réalisés sous la direction de l’abbé Porcel, curé de la paroisse. Les travaux sont conduits par l’architecte Jules Andrieu et comprennent la réfection de l’ensemble des toitures, le percement d’ouvertures et l’agrandissement de la nef. Pour réaliser cette extension, deux parcelles avec maisons sont cédées gratuitement en février 1925 par Émile Cabaniols et Célestin Porcel, curé de la paroisse. La nef est agrandie de 6 m intérieurement et dotée de deux tourelles, l’une pour l’escalier d’accès à la tribune, l’autre pour les fonts baptismaux. De nouveaux vitraux, dont ceux conçus par le maître-verrier Bry de Rodez, sont installés.
En 1964, le siège de la paroisse est déplacé dans la nouvelle église Saint-Jean de la Primaube. En 2018-2019, la municipalité de Luc-la-Primaube projette de transformer l’église de la Capelle Saint-Martin en équipement culturel. L’église est alors totalement désaffectée puis exécrée le 7 mars 2021 et le mobilier est transféré à l’église Saint-Jean. Les travaux d’aménagement du futur espace culturel débutent en octobre 2023 et doivent s’achever à l’été 2024.
