La partie la plus ancienne de l’église date de la fin du XIᵉ siècle, à une époque où se développe l’art roman dans la région. Elle se singularise par son plan allongé, à vaisseau unique, avec des travées de quatre époques différentes qui se succèdent en enfilade et un clocher central roman. Les murs de la deuxième et de la troisième travée de la nef, représentent la partie la plus ancienne de l’église. Un chœur de deux travées, dont le style du voûtement reflète les dernières années de la première période gothique, est substitué à l’abside primitive vers 1220-1230. Lors de l’agrandissement du chœur par l’adjonction d’une abside à pans coupés au dernier quart du XIIIe siècle ou au début du XIVe siècle, la seconde travée est partiellement démolie pour des raisons inconnues. Sa voûte avec des supports de style gothique rayonnant appartient donc à la campagne de construction de l’abside. Elle constitue la partie la plus élégante de l’église, même si le remplage de la plupart de ses fenêtres a été simplifié lors de restaurations anciennes. Une fois le nouveau chevet achevé, l’église ne peut être allongée qu’en ajoutant une travée devant la façade de la nef romane. Par son style reflétant la transition du gothique flamboyant vers la Renaissance, ce qu’illustrent parfaitement bien les fonts baptismaux, elle peut être datée du milieu du XVIe siècle. Par manque de place à l’ouest, l’accès se fait par le sud, par un portail de style classique aménagé au XVIIe siècle. Ainsi, pratiquement toutes les époques sont représentées en l’église d’Omerville. Son caractère hétérogène constitue plutôt la règle dans le Vexin français. C’est surtout par sa silhouette particulière et par son bon état de conservation que l’église Saint-Martin séduit. Petite anecdote dans l’histoire de cette église : le 2 avril 1897, la foudre s’abat sur le clocher au cours d’un violent orage. L’extrémité de la somptueuse flèche de pierre s’écroula avec fracas tandis que des fissures se produisirent à la base du clocher. Le conseil municipal de l’époque décida par sureté de reconstruire un clocher plus simple en ardoises. L’église Saint-Martin est classée monument historique depuis 1927. Elle et est rattachée aujourd’hui à la paroisse de Magny-en-Vexin, qui ne l’utilise plus pour les célébrations eucharistiques que deux à trois fois par an.