El puente que hoy vemos se construyó para reemplazar a otro anterior, que fue destruido en 1203 por una fuerte riada, y del cual podemos ver restos aguas abajo. Toma su nombre de la desaparecida iglesia de San Martín de Tours, que se encontraba bastante cerca.

Sufrió daños importantes en la guerra entre pedro I y Enrique de Trastámara en el año 1368, ya que los partidarios del primero derribaron gran parte del puente para impedir el paso de los partidarios de Trastámara a la ciudad.

Ya con el arzobispo Pedro Tenorio en la cátedra toledana, y restablecida la paz, se hizo una restauración completa.

En el siglo XVI se terminó la torre interior, añadiendo el escudo de Toledo del águila bicéfala escoltada por dos reyes sedentes. En distintos puntos del puente encontraremos diferentes inscripciones que relatan gran parte de las reformas realizadas desde el año 1690 y que le otorgaron su aspecto actual.

En el año 1921 fue declarado Monumento Nacional.