La cathédrale d'Orense, dédiée à San Martín, est le principal monument religieux de la ville.

Datant de la seconde moitié du XIIe siècle et de la première moitié du XIIIe siècle, son autel principal ayant été consacré en 1188, il est considéré comme l'un des grands temples romans d'Espagne et l'une des constructions culminantes du Moyen Âge en Galice.

Les ajouts ultérieurs, qui ne défigurent pas son unité fondamentale, constituent un échantillon varié des différents styles des périodes successives (roman, gothique, Renaissance, baroque, néoclassique et actuel).

Sa structure, de style roman de transition (très remarquable à cet égard), présente un plan en croix latine de quatre-vingt-quatre mètres de long, trois nefs séparées par des piliers cruciformes et des arcs cintrés et pointus avec des voûtes d'arêtes.

L'architecture est influencée par le monde cistercien pour certains aspects de la structure architecturale et par l'école matthéenne de Compostelle pour la sculpture (notamment la décoration des portes).

La cathédrale prend le relais de la basilique précédente de l'époque souabe ; certains auteurs placent cette basilique primitive sur le même site que la cathédrale actuelle, tandis que d'autres soutiennent que ce temple souabe se trouvait sur le site aujourd'hui occupé par l'église de Santa María Madre.

L'actuelle cathédrale d'Orense reprend également la dédicace du siège épiscopal de San Martín de Tours, commencée à l'époque souabe.