L'église de 1837-1838 dont les trois nefs ont une superficie de 285 mètres carré suffit à peine à la population de 930 habitants, les collatéraux sont couverts en tuiles, la nef et le chœur en dalles d'un poids considérable, les laves du chœur reposent sur une voûte en maçonnerie, celle de la nef sur des lambris. Un projet de reconstruction, confié à un architecte de Chalon, est adopté à l'unanimité par le conseil municipal et le conseil de fabrique. Il est achevé en 1863.

L’église néo-gothique de Saint-Martin-Belleroche a été construite, selon les plans de l’architecte départemental Dominique, entre 1864 et 1867, plus au nord que l’ancienne église romane. Cette ancienne église paroissiale, inscrite à l’I.S. en 1942, dépourvue de sa nef au XIXe siècle, a ainsi fait place à une nouvelle église, mais a conservé son chœur roman du XIIe siècle à deux travées, un chevet à bandes lombardes et un beau clocher à baies géminées et arcatures, servant de beffroi à l'édifice du XIXe tout proche.