La ermita o eremitorio de San Martín se encuentra en las afueras de Villarén en una zona elevada. Está excavada en roca sobre una ladera caliza en la parte más elevada, y a la izquierda de las primeras casas del pueblo, y sigue la tradición altomedieval. Presenta dos naves con bóvedas de cañón y arcos de ingreso cercanos al medio punto que dan paso a dos cabeceras rectas de techo más bajo y anchura inferior a las naves. Varían ambas naves y cabeceras en sus dimensiones puesto que es mayor la de la izquierda, pero sus orientaciones son similares. También varían las bóvedas de las cabeceras, pues la de la izquierda es de medio cañón y la de la derecha presenta unos arranques que pudieron corresponder a una cupulita. Las cabeceras tienen dos ábsides separados por un muro, que apenas se conserva, cada uno de ellos con sendos bancos corridos en sus paredes, y en uno de ellos una cruz latina destacada sobre la roca.

El acceso se abría hacia el SO. Adyacente al eremitorio se encuentra una cámara de planta regular (próxima a rectangular) y bóveda que hoy día conecta con el eremitorio pero que en origen pudo estar separada. En el muro de separación de esta cámara con la nave se conserva una inscripción fundacional de carácter consacratorio con unas dimensiones de 220 cm de longitud y altura de letras entre 13 y 26 cm, en ella se indica la dedicatoria a San Martín y la fecha de su consagración, circunstancia sumamente importante y nada frecuente en este tipo de eremitorios; sin embargo, la difícil interpretación de dicha inscripción ha motivado que no haya acuerdo respecto a su datación, siendo la teoría más sólida aquella que la data en el año 1067 d.C., seguramente aprovechando un abrigo ya utilizado desde tiempos pretéritos dada su cercanía al Monte Bernorio.

Tanto dentro de la ermita como en el exterior se han documentado varias tumbas antropomorfas excavadas en la roca arenisca orientadas al este y mal conservadas. Con el paso del tiempo, la blanda arenisca del exterior ha sufrido la erosión y desprendimientos, especialmente de la visera de entrada, aunque los rasgos generales de la planta y estructuras aún se conservan en un estado aceptable.