Že v 13. stoletju naj bi na mestu današnje župnijske cerkve stalo krščansko svetišče. Ob obnovitvi so odkrili kamnite temelje, verjetno prvotne zgradbe, ter dele obokanega prostora. Župnija Trbovlje je prišla leta 1332 skupaj z Braslovčami pod benediktinsko opatijo Gornji Grad in leta 1461 z opatijo vred pod ljubljansko škofijo, kjer je ostala do leta 1787. Posej je del lavantinske oz. mariborske škofije.
Sedanja cerkev je nastala v 18. stoletju. Glavno ladjo župnijske cerkve so sezidali v letih 1743-1745, današnjo podobo pa je dobila lata 1855, ko je takratni župnik, pesnik Jožef Hašnik, glavno ladjo podaljšal za pevski kor. K temu ga je vzpodbudil škof Anton Martin Slomšek, ki je svojega učenca poslal v Trbovlje za župnika.
Nekateri umetnostni zgodovinarji menijo, da je imela prvotna fasada cerkve reliefno poudarjene stebre, ki so bili ob dozidavi kora in verjetno še drugih delov odstranjeni ter nato samo slikovno poudarjeni. Ob raznih prezidavah se je polagoma izgubljal prvotni baročni slog, ki se je v izvirni obliki ohranil do danes le v tipični obliki strehe na zvoniku in v Marijinem tronu v cerkvi.
Stavba je tlorisno grajena v obliki križa, z glavno ladjo in prezbiterijem v vzdolžni smeri, prečnico pa tvorita obe kapeli. Pod tlakom kapele Rožnovenske Matere božje na desni strani je zaprta kostnica. Glavni oltar, ki je bil obnovljen leta 1966, je lepo baročno delo, njegov avtor pa žal ni znan. Cerkev krasijo nove orgle (iz delavnice Škrlab) z dvaindvajsetimi registri. Župnijska cerkev sv. Martina je lepa in vredna ogleda.