El antiguo hospital estaba situado en la plazoleta de los Álamos y databa de los tiempos de la Conquista. El edificio actual del Hospital de San Martín se debe a la iniciativa del Obispo Servera y consta de hospital, proyectado por Antonio Lorenzo de la Rocha, y hospicio, se dice que, según dibujos de Diego Nicolás Eduardo, aunque las obras las dirigiera José de la Rocha a finales del siglo XVIII.

La planta del hospital se organizó en una serie de crujías en torno a dos patios, adscribiéndose así al planteamiento de hospitales de planta en cruz del Renacimiento, pero sólo con la mitad de la cruz, con los patios separados por una crujía común que alberga la capilla. El edificio, de forma irregular y con una imponente presencia urbana, consta de tres plantas y dos cuerpos funcionalmente unificados.

El acceso principal, en la calle Ramón y Cajal, se produce por el cuerpo más cercano a la esquina, bajo una arquería de cinco huecos, accediendo a un atrio y a la iglesia que se sitúa entre los patios.

En fachada, el cuerpo barroco de acceso presenta mayor trabajo de cantería en las molduras, marcos de huecos con frontones partidos, y sillerías de esquina y portada. El otro cuerpo es más austero, sin acceso, con sólo una fila de doce huecos sobre el paramento liso.