L'edificio, orientato est-ovest, presenta un impianto longitudinale a tre navate con cappelle laterali e un deambulatorio che circonda la zona presbiteriale. La facciata settecentesca dall'andamento curvilineo, è caratterizzata dalle statue di Antonio Maria Pirovano: San Martino sopra il portale maggiore; San Giovanni Neponucemo e San Francesco Saverio, ai lati; i vescovi Sant'Ambrogio e San Carlo, al livello superiore; due papi San Felice (le cui reliquie sono collocate all’interno della chiesa) e San Gregorio, alla sommità dell'edificio. All'interno la basilica, oggetto di diversi successivi interventi, si presenta oggi nella forma conferitale dalla risistemazione operata dai Fratelli Galliari nel Settecento. A quest'epoca risale infatti l'ampliamento delle cappelle laterali, la costruzione del deambulatorio intorno all'area presbiteriale e la sostituzione delle originarie arcate ogivali con quelle attuali, a tutto sesto, che suddividono le navate. In questa occasione furono anche realizzate le scenografiche volte a crociera della navata centrale, ornate con finte cupole affiancate da finte nicchie con statue e festoni decorativi. A destra dell'ingresso, di particolare interesse, risulta la cosiddetta "Cappella Gotica" che conserva, in parte, l'originaria decorazione parietale realizzata da Nicola Moietta nel XV secolo. Proseguendo lungo la navata destra si trovano le cappelle di Santa Caterina, della Beata Vergine del Rosario e del Sacro Cuore. Nella navata sinistra invece, quelle dei Santi Martiri, del Crocifisso e della Beata Vergine Immacolata. Molte sono le opere d'arte conservate all'interno dell'edificio, la più significativa, esposta oggi al termine della navata destra, in prossimità della zona presbiteriale, è il polittico di San Martino di Bernardo Zenale e Bernardino Butinone (1485), originaria pala d'altare.

• Impianto strutturale
  • Edificio in muratura continua con copertura a falde e manto in coppi.
• Pianta
  • Impianto longitudinale a tre navate con cappelle laterali e deambulatorio.
• Coperture
  • Copertura a falde e manto in coppi.
• Altare maggiore
  • Al centro del presbiterio si trova l'altare maggiore in stile neoclassico realizzato nel 1830 da Pietro Pestagalli.
• Opere d'arte
  • Nella prima cappella a destra, detta Cappella Gotica, si trovano tracce dell'originario apparato pittorico ad affresco con Storie della Vita di Maria, realizzato dal pittore caravaggino Nicola Moietta (XVI secolo).
• Opere d'arte
  • Nella navata destra, vicino alla zona presbiteriale è conservato il Polittico di San Martino, opera di Bernardino Butinone e Bernardo Zenale (1485-1505).
• Opere d'arte
  • Sotto la volta della navata si trovano i teleri con Storie di San Martino realizzati da Giovanni Stefano Doneda, detto Montalto (1677-1682).
• Opere d'arte
  • Nel presbiterio, sono collocate due tele del pittore Gian Paolo Cavagna, datate 1601 e raffiguranti l'Ultima Cena (a sinistra), e la Caduta della Manna (a destra).
• Opere d'arte
  • Nel presbiterio, sullo sfondo dell'altare al centro è collocata la settecentesca tela di Federico Ferrario, collaboratore dei fratelli Galliari, raffigurante Maria Assunta in Cielo e San Martino Vescovo.
• Opere d'arte
  • Nel presbiterio è collocato un coro ligneo, opera di Bartolomeo Piazzi detto il Lanaro (seconda metà del XVI secolo), con intarsi degli stalli di Edoardo Cassani e bottega (inizio sec. XX).
• Opere d'arte
  • Nel deambulatorio sono collocate vetrate realizzate nel 2008 su disegno di Trento Longaretti, raffiguranti nella parte superiore, l’Assunzione di Maria al cielo attorniata da angeli; nella parte inferiore, San Martino di Tours celebrato come Vescovo, che benedice i fedeli.
• Opere d'arte
  • Nel deambulatorio si trova la tela raffigurante San Girolamo, opera di Genovesino (1646).
• Opere d'arte
  • Nel deambulatorio si trovano alcune tele, opere dei Montalto (sec. XVII), raffiguranti San Carlo e San Filippo Neri e il Miracolo della Mula.
• Opere d'arte
  • Nel retrocoro si trova il dipinto raffigurante la Vergine Assunta, opera di Camillo Procaccini (XVII sec.).
• Opere d'arte
  • Nel deambulatorio, di fronte all'opera di Procaccini, si trova una piccola statua del sec. XV, raffigurante San Martino.
• Organo
  • In controfacciata si trova il grande organo, restaurato tra il 1812 ed il 1816 dai fratelli Serassi. E' inserito in una balaustra caratterizzata dalla presenza di tele di Gian Paolo Cavagna e Federico Ferrario raffiguranti Storie di Davide; la cornice dell’organo è stata realizzata nel XVIII secolo su progetto dei fratelli Galliari. Nella cassa barocca (che non comprendeva le parti laterali) è stato inserito l'attuale organo Giovanni Tamburini opera 94, costruito nel 1925.
• Cappelle laterali
  • Nella navata destra, la prima cappella è intitolata a Santa Caterina. Fu commissionata da Giacomo Gallinone nel 1605. Sulle pareti sono affrescati: Il martirio di Santa Caterina e La Disputa di Santa Caterina firmati da Romeo Rivetta e risalenti al 1909.
• Cappelle laterali
  • Nella navata destra, la seconda cappella è dedicata alla Beata Vergine del Rosario. Progettata dai fratelli Galliari nel 1771. Ai lati dell’altare sono presenti quindici tele riportanti i Misteri del Rosario, realizzate da Federico Ferrario tra il 1771 ed il 1772.
• Cappelle laterali
  • Nella navata destra, la terza cappella è dedicata al Sacro Cuore. Realizzata nel 1905 in forme neo gotiche su progetto dell’ingegnere Spirito Chiappetta, è decorata con dipinti di Eugenio Cisterna.
• Cappelle laterali
  • Nella navata sinistra, la prima cappella è dedicata ai Santi Martiri e conserva reliquie traslate da Roma nel secolo XVII. Il monumentale reliquiario, fu realizzato all’inizio del XX secolo su disegno del trevigliese Attilio Mozzi. Sulle pareti laterali sono esposte due tele di Camillo Procaccini.
• Cappelle laterali
  • Nella navata sinistra, la seconda cappella è dedicata al Crocefisso. Conserva sopra l’altare un Crocefisso ligneo proveniente dal Convento dell’Annunziata (soppresso all’inizio del XIX secolo). Le decorazioni pittoriche e le statue raffiguranti la Madonna e San Giovanni Evangelista sopo opere novecentesche realizzate dalla Scuola Superiore d’Arte Cristiana Beato Angelico di Milano.
• Cappelle laterali
  • Nella navata sinistra, la terza cappella è dedicata alla Beata Vergine Immacolata. In essa è collocato il Fonte Battesimale, realizzato nel 1529, con opere ad intaglio dorato, aggiunte dai Fratelli Terni nel 1625.

• XI  ‐ XI  (costruzione intero bene)
  • Una tradizione storiografica non supportata da riscontri documentari farebbe risalire l'origine di una prima basilica dedicata all'Assunta al V-VI secolo. L'edificio orientato nord-sud corrisponderebbe circa all'attuale zona presbiteriale. Secondo lo storico E. Lodi nel 1008 l'originaria basilica fu ampliata una prima volta (più probabilmente riedificata) modificando l'orientamento in direzione est-ovest.
• XIV ‐ XIV (ampliamento intero bene)
  • L'edificio dovette subire un ulteriore massiccio intervento nel XIV secolo quando furono costruite le volte a crociera e il campanile ancora oggi esistente nella zona absidale.
• XV  ‐ XV (ampliamento intero bene)
  • Nel XV secolo furono aggiunte le navate laterali, la sagrestia e il vano oggi conosciuto come "cappella gotica", collocato sul lato ovest, simmetricamente alla Torre Civica, adibita a partire da quest'epoca, a campanile maggiore della basilica.
• XVIII ‐ XVIII (ristrutturazione intero bene)
  • Alla fine del XVIII secolo la basilica fu oggetto di una radicale trasformazione ad opera dei Fratelli Galliari, responsabili dell'attuale configurazione dell'edificio. Fu costruito il deambulatorio, ampliate le cappelle laterali, gli archi a sesto acuto furono sostituiti da archi a tutto sesto. I Galliari si occuparono anche della decorazione rivestendo i pilastri con stucchi dorati e realizzando le scenografiche composizioni delle volte della navata centrale e delle laterali.
• 1740 ‐ 1740 (costruzione facciata)
  • Nel 1740 fu realizzata la nuova facciata su progetto dell'architetto Giovanni Ruggeri.
• 1979 ‐ 1979 (restauro facciata)
  • Nel 1979 la facciata fu oggetto di un intervento di restauro.
• 1987 ‐ 1988 (restauro cappella del battistero)
  • Tra il 1987 e il 1988 fu restaurata la cappella del battistero.

• presbiterio ‐ intervento strutturale (1994)
  • L'adeguamento dell'area presbiteriale conforme alle indicazioni emanate dal Concilio Vaticano II fu eseguito nel 1994 su progetto dell'architetto Ernesto Brivio.