La Iglesia Parroquial de Santa María de las Virtudes de Villamartín comenzó a construirse en la primera mitad del siglo XVI, poco después de la fundación de la localidad en 1503. Sus trazas se ajustaron a la tipología habitual de las iglesias mudéjares, con planta rectangular de tres naves separadas por pilares en los que apoyan arcos apuntados y techumbre de madera. A esta fase corresponden los tramos de los pies y la capilla sacramental, que tiene bóveda de crucería.
Hacia mediados del siglo XVI se realizó un drástico cambio de las trazas, sustituyendo el viejo planteamiento de tradición medieval por un nuevo diseño plenamente renacentista para la cabecera, el crucero y un tramo de la nave. Los soportes son esbeltos pilares con columnas jónicas adosadas con cubiertas abovedadas, en forma de media naranja en el crucero. El diseño se atribuye al maestro mayor de la archidiócesis hispalense Martín de Gainza, que también es autor de la sacristía, con bóveda muy similar a la de Santa María de Arcos, del mismo autor.
Hernán Ruíz II diseñó la torre-fachada situada a los pies del templo, que fue construida entre 1562 y 1565. Tiene dos cuerpos, el primero concebido como arco del triunfo con dobles columnas jónicas a los lados entre las que se disponen hornacinas con las esculturas de San Pedro y San Pablo.
El segundo cuerpo tiene una inscripción alusiva a la Virgen sobre el que apoya una hornacina con la imagen de la titular. El conjunto se remata con frontón ondulado. Del mismo autor son las escaleras que unen la Sala del Secreto con la sacristía baja, una extraordinaria obra de cantería.
Una tercera etapa constructiva corresponde ya a las últimas décadas del siglo XVIII. Se realizaron entonces una serie de obras dirigidas por el arquitecto sevillano Fernando Rosales, quien renovó las cubiertas y las bóvedas, hizo cambios en la decoración interior, construyó el coro y levantó los cuerpos superiores de la torre, además de otras intervenciones.
El retablo mayor fue construido en el siglo XVII bajo la dirección de Francisco Dionisio de Rivas. Contiene esculturas de Pedro Roldán, destacando las de San Pedro y San Pablo. A mediados del siglo XVIII fue ampliado hasta cubrir todo el ámbito del presbiterio por el maestro Matías Navarro.
Es digna de mención la rica colección de platería, con obras de algunos de los principales orfebres, sobre todo sevillanos, de los siglos XVI al XVIII. De estilo barroco, destaca la custodia punzonada por José Guzmán, de la que existe un mandato del visitador en 1790: "4º. Un sol de plata para la exposición de S.M. Sacramentado para lo que ha dado un devoto 6.000 reales el resto hasta 10.000 lo pague la Fca".
