Les primeres notícies del lloc de San Martín de Valdelomar daten del 1210, quan apareix citat en un document de compra-venda d'unes terres per part de Santa Maria d'Aguilar de Campoo.

L’església està dedicada actualment a Sant Agustí, malgrat que segurament en un inici va ser estar dedicada a Sant Martí. A mitjans del segle XIX ja consta amb l'advocació actual. En el 1993 va ser declarada Be d’Interès Cultural.

El temple conserva l'estructura romànica, si bé va patir diverses modificacions al llarg dels segles posteriors. Inicialment es va construir una sola nau capçada a l'est per un absis semicircular.

L'absis s'uneix a la nau mitjançant un tram presbiteral cobert amb volta apuntada.

La capçalera està dividida exteriorment en tres cossos gràcies a dos contraforts.

En la part central del tambor absidal trobem una finestra d'arc de mig punt resseguit per un guardapols.

La finestra està decorada amb una arquivolta i dues columnes amb capitells decorats amb fulles d’acant acabades amb boles.

La teulada de la capçalera es recolza en una cornisa, que descansa en mènsules decorades amb un cilindre en la part superior i en la inferior, com les de la veïna San Andrés de Valdelomar, però sense els motius gravats en la part central.

L'arc triomfal és de perfil apuntat i descarrega la seva força en dues columnes adossades als murs lateral del presbiteri. Els seus capitells són de factura molt senzilla i de temàtica similar als capitells de la finestra, amb boles i motius vegetals esquemàtics.

En època gòtica es reformen les cobertes de la nau, construint les actuals voltes estrellades.

L'arc toral que separa els dos primers trams de la nau, de perfil apuntat, descansa en columnes adossades, que tenen els capitells decorats amb boles.

També es construeix una capella, oberta en el mur sud, que posteriorment s'aprofitarà per construir una nau lateral. Entre els segles XVI i XVII es construeix també la sagristia, adossada a l'absis pel costat sud.

En l'interior del temple es conserva una pica baptismal romànica totalment llisa.

També podem trobar dues esteles funeràries encastades en el mur nord.

Tot el temple està fet amb carreus ben tallats i col·locats regularment com es freqüent en totes les esglésies de la vall. En alguns d’ells podem veure marques de picapedrer.

El campanar de cadireta, que corona el mur oest, té dues finestres d’arc de mig punt en pis inferior i una més petita en el superior.