Au centre du bourg, bordant la place agréablement aménagée, l'église occupe cet emplacement dès le XIIe siècle. Consacrée à Saint Martin, elle aurait été fondée au IVe siècle par Saint Thuribe, deuxième évêque du Mans. Jusqu'à la Révolution, elle restera attachée au diocèse du Mans.
Les fondations sont construites pour partie avec la pierre extraite des carrières de la Latte à 3km du bourg. L'édifice, massif, laisse apparaître les influences du gothique et du roman malgré d'importants remaniements aux XIVe, XVe, XVIe et XIXe siècles.
Signe de la puissance de l'Église et symbole mystique de l'élévation de la prière au ciel, le clocher du XIIe siècle est roman par son architecture massive et gothique par ses quatre pinacles et sa flèche élancée.

Derrière le chœur, dans l’actuelle sacristie, existent encore des peintures murales du XIVe siècle sur cinq niveaux, découvertes par Suzanne Trocmé en 1837. Elles représentent des scènes bibliques (l'Apocalypse, Les Saintes Femmes), et de l'histoire locale (Saint Julien baptisant l'évêque du Mans...). Ces peintures rappellent combien l'art religieux fut fécond.
Son rôle éminemment religieux ne doit pas occulter la valeur esthétique de cet art.
L’église Saint Martin de Lunay fait partie de l’Association pour la valorisation des peintures murales en Vallée du Loir.
L'église possède des portes en bois sculptées du XVIe siècle ornées des figures de Saint Pierre et de Saint Paul. Aux XIVe et XVe siècles, le chœur fut élargi vers le sud et la nef fut agrandie vers l'ouest et le sud. Le chœur ainsi construit fut désaxé et largement dévié vers le sud. Les travaux entrepris (1838 et 1840) par l'abbé Tardif n'ont pas résolu le déséquilibre du plan de l'église mais l'ont embelli. Le chœur fut entièrement aménagé, doté d'un déambulatoire et d'une nouvelle voûte peinte représentant la Cène où l'on remarque la présence énigmatique
du diable caché derrière le rideau à gauche.

Quant à la nef, elle date du XVe siècle. Le portail orné de jolies statues aurait été construit au XVIe siècle par le curé de Lunay. L’église renferme une magnifique statue de la Vierge à l’enfant (classée) du XVIe . Le portail, les vitraux (Anges musiciens), les venteaux de la porte ont fait l’objet d’un classement.
Si le remaniement du chœur en 1840 a contribué à faire disparaître quelques peintures à la détrempe, les peintures murales de la sacristie (seconde moitié du XIVe siècle) placent l'église St-Martin dans le Circuit des Églises à Fresques de la Vallée du Loir.