L’ancienne église Saint-Martin est située au centre de l’enclos actuel du château de Pierreclos, surélevée par rapport au relief environnant. Sa partie orientale domine de cette manière la vallée de la Petite Grosne. La chapelle du château de Pierreclos suit à l’origine un plan simple, habituel dans l’art roman (nef unique suivie d’une travée sous clocher et d’une abside semi-circulaire). Cependant, les détails de sa construction et le mélange des genres font d’elle un exemple singulier de l’architecture de l’époque, et entrainent une incertitude quant aux dates précises de sa construction. Pour Christian Sapin, l’usage de certaines techniques rapprocherait l’édifice d’autres monuments de la région, tel que Cluny III, et ferait donc dater l’église Saint-Martin de la fin du XIe siècle ou du tout début du XIIe. Selon Alain Guerreau, la majorité des éléments stylistiques de la chapelle tendent en fait à prouver une construction à la fin du XIIe siècle, en plusieurs phases, ce que semblent renforcer les sources historiques concernant le château et la paroisse.