L’église Saint-Martin est construite selon un plan en croix latine, presque exclusivement en travertin, une pierre calcaire d’excellente qualité.
La nef est la partie la plus ancienne de l’édifice, remontant à l’époque romane et remaniée au XIIIe siècle. La tour clocher, massive, comporte un toit tronqué. De base carrée, elle est surmontée d’une flèche percée d’abat-sons.
Le choeur et le transept de l’église datent du XIIIe siècle. La sacristie a été ajoutée en 1778, en attestent les inscriptions : « SACRISTIA EX D0NO DDG ».
La façade de l’église est ouverte une porte ogivale, en remplacement d’une ancienne porte romane. Les battants de la porte occidentale montrent des compartiments flamboyants dans la partie supérieure, et des panneaux plissés dans la partie inférieure.
Un édifice annexe, faisant office de porche, est surmonté d’une toiture à pavillon à trois pans.
En 1957, une fresque est retrouvée sous une couche de badigeon. Elle illustre le dit « Des trois morts et des trois vifs » de Baudouin de Condé. Ces représentations murales seraient datées entre 1450 et 1480 et relatent l’histoire de trois jeunes gentilshommes interpellés dans un cimetière par trois morts qui leur rappellent la brièveté de la vie et l’importance du salut de leur âme. Bien que fort endommagées, ces fresques sont toujours visibles dans la parties Sud de la nef.
L’église Saint-Martin de Gonneville-sur-Honfleur est inscrite au titre des Monuments Historiques depuis 1933. Elle est un élément majeur du patrimoine de la commune.