No se conoce la fecha exacta en que fue construido el puente, si bien hay pruebas documentales de que fue levantado para reemplazar otro puente anterior, destruido en 1203 por una crecida del río, del que aún quedan restos un centenar de metros aguas abajo. Su nombre procede de la cercana parroquia de San Martín de Tours, hoy día desaparecida.
Llegó la guerra civil entre Pedro I y su hermanastro Enrique de Trastámara y con ella un episodio importante en la existencia del puente, ya que los partidarios del primero destruyeron intencionadamente parte del viaducto con el objetivo de impedir el paso de los partidarios de Trastámara a la población. Corría el año 1368.
Una vez restablecida la paz, y con la llegada a la silla episcopal del arzobispo Pedro tenorio, se produjo la restauración, debido al interés mostrado por el prelado en reparar los numerosos edificios que se hallaban en deplorable estado. Como recuerdo de aquella rehabilitación se situó una escultura del obispo sobre la clave del arco central, figura que ha inspirado románticas leyendas.
En el siglo XVI se adornó el torreón interior, añadiéndole el escudo de la ciudad, formado por el águila bicéfala flanqueada por dos reyes sedentes.
Distintas inscripciones repartidas por el puente nos facilitan datos sobre diferentes reformas ejecutadas entre 1690 y 1790, reformas que le dotaron de la estructura que hoy en día mantiene.
Fue declarado Monumento Nacional por Real Orden el 21 de Diciembre de 1921.
