Traditionnellement, l’abbaye Saint-Martin d’Ainay est considérée comme ayant des origines très anciennes. Grégoire de Tours mentionne le site d’Athanaco, et la tradition indique également que saint Romain († 463) s’y serait formé durant la première moitié du Ve siècle, avant de se retirer à Condat (Jura). Toutefois, les plus anciennes mentions documentaires directes remontent au IXe siècle : en 859 est cité l’abbé Aurélien, à qui l’on attribue la restauration du monastère, alors abandonné.
Vers 863, cet abbé fit venir des moines du monastère de Bonneval (Eure-et-Loir) afin de redresser la communauté, bien qu’ils soient ensuite retournés dans leur établissement d’origine. Aurélien fut nommé archevêque de Lyon en 875, tout en conservant la charge abbatiale jusqu’à sa mort, en 895. Au Xe siècle, le monastère fut détruit lors d’une attaque hongroise, puis restauré à nouveau par l’abbé Amblard († 978). L’église actuelle fut édifiée à la fin du XIe siècle et au début du XIIe, et consacrée par le pape Pascal II en 1107. Dès lors, l’abbaye connut une longue période de prospérité, acquérant un grand prestige et un vaste patrimoine, qui se dégradèrent progressivement à la suite d’une crise prolongée affectant à la fois l’observance et l’institution elle-même.
Au XIVe siècle fut construit un somptueux palais abbatial, et au XVe siècle d’importants travaux de réfection furent entrepris dans l’église. Cependant, le relâchement des mœurs, l’instauration du régime de la commende au 1507 et les destructions dues aux guerres de Religion (1562) entraînèrent le déclin du monastère. En 1685, il fut sécularisé et confié à un chapitre de chanoines ; en 1780, il perdit encore ce statut en devenant une paroisse. La Révolution provoqua la perte de ses biens fonciers, mais l’église fut épargnée en étant utilisée comme magasin militaire, avant de retrouver ultérieurement sa fonction paroissiale.
À partir de 1835, une restauration malheureuse de l’église fut menée, la transformant en un édifice essentiellement néo-roman, bien que subsistent encore quelques espaces et éléments sculptés médiévaux. Dans le même temps, les vestiges du cloître, déjà en ruine, furent détruits. De l’édifice médiéval subsiste le noyau central, composé de trois nefs de quatre travées, d’un atrium avec clocher sur la façade occidentale, d’un transept et de trois absides semi-circulaires alignées avec les nefs, dont seule l’abside centrale est visible à l’extérieur. Les remaniements modernes masquent en grande partie l’ensemble.
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