A templom a szerzetesi élet központja, a közös szentmise és zsolozsma színtere. A jelenleg látható pannonhalmi templom Uros apát idejében, a XIII. század elején épült későromán-koragótikus stílusban, felszentelése valószínűleg 1224-ben volt. Az elmúlt évek régészeti kutatásai választ adtak arra a kérdésre is, milyen templom állt ezen a helyen a 11. században. 1995-ben a régészek a torony járószintje alatt megtalálták a legelső, Szent István-kori templom maradványait. Félköríves záródású altemplom falait és padlószintjét ásták elő kb. 2 méterrel a mai járószint alatt. A feltárt részek alapján egy kettős szentélyű, kettős altemplomú bazilikát feltételezünk az első pannonhalmi templomként. Abból, hogy a feltárt nyugati altemplom szélessége lényegében megegyezik a mai főhajóéval, arra következtethetünk, hogy az első templom szélessége valószínűleg azonos volt a mai temploméval, és ez a 11. században szokatlanul nagynak számított.
A bazilikában látható legidősebb falrész (a déli mellékhajó kibontott fala) a 12. századból, a Dávid apát idején 1137-ben felszentelt második templomból való.

A régészeti feltárások során a sekrestyében találtak két befalazott kaput. Az egyik feltehetőleg Dávid apát templomának, míg a másik Uros apát templomának északi kijárata lehetett.
Ugyanezen ásatások során a szembemiséző oltár és a szentélyfeljáró közötti rész járószintje alatt egy sírt találtak, a feltételezés szerint Uros apátét.

A templomot Mátyás uralkodása idején bővítették, ekkor készült el a szentély mai mennyezete, a mellékhajók keleti vége és a Szent Benedek
kápolna.
A török időkben a belső berendezés teljesen elpusztult. A török kor utáni legjelentősebb felújítás az 1720-as években kezdődött Sajghó Benedek főapátsága idején.
A templomot utoljára az 1860-as években Storno Ferenc restaurálta. Az ő irányításával készítették a mai főoltárt, a szószéket, a mennyezet freskóit, az oltár feletti Szent Márton üvegablakot, valamint a padokat.