Une paroisse Saint-Martin serait établie à Azas dès le 10e siècle selon la monographie communale de l'instituteur Maxime Pélegrin en 1885, malheureusement sans justifications (Pélegrin, p. 29). L'église, détruite au 16e siècle est reconstruite sur un nouvel emplacement au début du 18e siècle, à la sortie ouest du village (Pélegrin, p. 35).
La construction est financée par le baron Henri de Lafont-Vedelly, seigneur d'Azas et conseiller honoraire au Parlement, honorant la promesse faite par ses prédécesseurs (A.D. Haute-Garonne : 3 E 25936). Les armes de la famille Vedelly et la date de 1708 figurent sur le linteau de la porte de nef. La première pierre serait posée par le baron le 21 mars 1708 et l'édifice serait réceptionné dès le 25 novembre puis béni le 2 septembre 1709 (Pélegrin, p. 37-38).£En confrontant l'observation de l'édifice et l'analyse des sources, il est possible de déterminer trois phases de construction. L'église de 1708, une seconde campagne dans la seconde moitié du 18e siècle ou au début du 19e siècle et enfin une troisième phase néoclassique entre 1895 et 1900.
L'édifice de 1708 se présentait sur un plan en croix latine. Elle était moins élevée qu'aujourd'hui comme le témoigne la hauteur des arcades des chapelles. Le choeur était probablement plus petit car il semble aujourd'hui disproportionné par rapport à la nef.
Lors d'une seconde campagne de construction non datée qui intervient dans la seconde moitié du 18e siècle ou au début du 19e siècle, deux chapelles en hémicycle sont accolées aux premières chapelles rectangulaires. Grâce aux plans de 1895, il est possible de rendre compte du second état de l'église avant les transformations de la fin du 19e siècle (A.D. Haute-Garonne : 4 V 7). Sont présents le porche, un clocher-mur à trois clochetons et les deux sacristies. Des contreforts étaient présents pour soutenir le clocher. La présence d'un talus à mi-hauteur des murs indiquent qu'ils étaient plus épais sur les deux tiers des élévations. Les murs étaient également moins élevés d'après les traces des anciennes baies.
La troisième phase correspond à la transformation néoclassique de l'église. Les travaux sont réalisés entre 1895 et 1900 par l'architecte Robert Boistel d'Welles Duroyer, dit Welles. Les plans avant travaux de 1895 et les plans du projet de 1898 permettent d'observer les modifications de l'édifice (A.D. Haute-Garonne : 4 V 7). Les choix architecturaux sont clairement explicités dans un courrier de l'architecte daté de 1897 (A.D. Haute-Garonne : 4 V 7). Le traitement à l'antique du clocher et du porche est une volonté de l'architecte et de la commune. L'architecte dit s'inspirer du style de la basilique Notre-Dame de la Daurade de Toulouse. Les contreforts qui ne figuraient pas dans le projet initial, sont ajoutés à la demande des inspecteurs généraux des édifices diocésains (A.D. Haute-Garonne : 4 V 7). L'un des contreforts, côté ouest, chevauche une tombe du cimetière attenant, indiquant l'absence de contrefort à cet endroit auparavant.
Les travaux sont exécutés par l'entrepreneur Darnès entre 1898 et 1900 (A.D. Haute-Garonne : 2 O 38/4). La nef est exhaussée et les baies sont alors repositionnées en partie haute. Le clocher-mur à trois clochetons qui surmontait lélévation sud-ouest de la nef est remplacé par un clocher-mur monumental de style néoclassique. Le porche d'entrée est également remanié, de nombreuses traces des transformations sont encore visibles aujourdhui.