Le 2 juin de l'an 965, Éracle, évêque de Liège, délivre l'acte de fondation sur le Publémont d'un édifice destiné à devenir la nouvelle cathédrale de Liège, consacrée à la Vierge et à saint Lambert. Mais Notger, son successeur, décide de dédier le sanctuaire à saint Martin et lui confère le statut de collégiale.

Aujourd'hui, il ne reste rien de l'église romane primitive qui fut remplacée au XVIe siècle par l'édifice gothique actuel dont les travaux de construction s'étalèrent de 1506 à 1542, sous le règne du prince-évêque Érard de La Marck, d'après les plans de Paul de Ryckel.

C'est à Saint-Martin que fut instituée la Fête-Dieu en 1246 suite aux démarches effectuées par Julienne de Cornillon et la recluse Ève de Saint-Martin. Au cours des siècles, le culte eucharistique prit à la collégiale une importance considérable, manifesté surtout par l'établissement de la confrérie du Saint-Sacrement, renforcée à partir de 1765 par la confrérie de l'Adoration perpétuelle et par l'aménagement d'une chapelle exclusivement réservée au culte eucharistique, la chapelle du Saint-Sacrement. Sorte de Saint des Saints, cette chapelle bénéficia de l'attention généreuse des membres du chapitre collégial et fit l'admiration des visiteurs de Liège. La chapelle était ornée de peintures des grands artistes Jean Del Cour et Englebert Fisen. Elles sont dispersées à la révolution.

La Collégiale Saint-Martin de Liège a rang de basilique et plus précisément de basilique mineure, non pas comme le veut une légende urbaine comme seconde église de Liège de rang après la cathédrale, mais parce qu'elle est lieu de pèlerinage de la Fête-Dieu depuis 1246, titre qui lui a été conféré par le pape en 1886.