Reconstruit à la fin du XV^e siècle puis au début du XVI^e siècle, l’édifice, subtil mélange de gothique pur et de style Renaissance, possédait une certaine élégance. Il était élevé près du ruisseau dit Renelle (“Reneau”, en vieux normand, signifie ruisseau) exutoire du trop-plein de la fontaine du Bailliage, elle-même alimentée par la source Gaalor. Ce ruisseau traversait le quartier des maroquiniers, des tanneurs et des métiers du cuir (le nom de rue Ganterie conserve toujours le souvenir de ces métiers). Mais, cette industrie, très malodorante pour les riverains, ne fut florissante en ce quartier que jusqu’au XVII^e siècle. Les exigences du fisc l’obligèrent à émigrer à Pont-Audemer et vers la Basse-Normandie. N’ayant pu être réimplantée par la suite entre l’Aubette et le Robec, elle était vouée à disparaître.
En 1639, après avoir été l’un des principaux foyers d’émeute lors de la Révolte des Nu-Pieds, le quartier vécut une sanglante répression dirigée par le chancelier Séguier. Le territoire dut alors subir une radicale métamorphose et ne se releva jamais de tels changements. Leur situation s’appauvrissant, les paroissiens ne purent jamais faire face aux dépenses qu’entraînait la reconstruction de leur église.
Entrepris au XVI^e siècle, les travaux se révélèrent vite trop onéreux et la nef ainsi que le portail restèrent inachevés.

L’édifice fut pillé par les Huguenots en 1562.
1592, Henri IV, lors du siège de la ville, fit tirer du canon sur St-Martin-sur-Renelle. Un boulet percuta l’église et l’endommagea gravement.
 L’église St-Martin-sur-Renelle se composait d’une nef centrale et de deux collatéraux. Les voûtes en pierre prévues à l’origine ne furent pas réalisées et remplacées par des voûtes en bois. Extérieurement, les arcs-boutants n’avaient pas été construits et seules les pierres d’attente étaient visibles.
La nef de sept travées possédait des piliers circulaires, à chapiteaux ornés de feuillages. Le départ des voûtes n’était qu’ébauché. Au niveau de chaque pilier, un dais en pierre, allongé et finement ciselé, était destiné à abriter une statue. Ces statues n’ont vraisemblablement jamais été sculptées. Cette décoration, de la période Renaissance, était caractéristique de l’édifice.

L’accès principal était une modeste porte pratiquée, sous le règne de Louis XV, dans la façade occidentale formée par un mur provisoire en pan de bois, sommairement plâtré et ardoisé. Le chœur, fin et élancé, ressemblait un peu à celui de l’église St-Nicaise. Il était toutefois plus fin, plus travaillé. Il était notablement plus haut que la nef. Il avait trois travées et un rond point et était couvert d’une voûte en bois, de plein cintre, qui était délicatement peinte. Ce chœur représentait la seule partie presque achevée. L’abside polygonale n’apparaissait dans la rue de la Renelle, dans sa partie inférieure, que par un pan de mur percé d’une fenêtre carrée. Les chevets des chapelles latérales étaient alignées avec lui. La chapelle au sud du chœur était couverte de voûtes en pierre à liernes et tiercerons dont les clefs étaient enrichies de cul-de-lampe.