Se fundó con el nombre de Martos Club de Fútbol en 1949, debutó en la tercera división nacional en la temporada 1953/1954. En la temporada 1956/57 cambió su denominación por la de Martos Jaén Atlético, asociándose con el Real Jaén para que éste tuviera un filial en la nombrada categoría.
Cuando en 1958 perdió la categoría nacional volvió a denominarse Martos CF. El equipo se refunda en 1970 con la actual denominación de Martos Club Deportivo.
En la temporada 1978/1979 consigue el ascenso a tercera división nacional con la actual denominación.
Desde 1979 juega en Tercera División ininterrumpidamente hasta el año 2000 en el que pierde la categoría, militando dos temporadas en Regional Preferente y regresando en el junio del año 2002 a la categría nacional aunque volvería a perder la categoría en la temporada 2003/04 en una nefasta campaña.
En la temporada 2004/05 se vive en la ciudad de la Peña una nueva debacle del equipo marteño en el cual desciende por segundo año consecutivo, esta vez de la recién creada Primera División Andaluza, en su grupo tercero. La temporada estuvo marcada por la inestabilidad del equipo ya que pasaron por el cuatro entrenadores y un buen número de jugadores.
En la temporada siguiente asciende a la categoria autonomica de Primera División Andaluza formada por equipos de la provincia jienense y malagueña. Van a pasar dos temporadas hasta la 2009/10 cuando asciende de nuevo a tercera división tras derrotar al CD San Isidro de Nijar en un global de la eliminatoria de 4-4 tras perder fuera 4-2 y ganar en casa 2-0; el equipo marteño volvía a categoría nacional tras quedarse segundo clasificado en la liga y más tarde ascender.
En la 2010/11 finaliza el curso en mitad de la clasificación. En la temporada 2011/12 el equipo cambia de directiva de la mano de José Bonilla, que va a depositar la confianza en el joven entrenador Juan Arsenal y finaliza en los puestos tranquilos de la clasificación.
Estas últimas temporadas el Martos CD se ha convertido en uno de los conjunto señeros del grupo noveno de la Tercera División aunque sin grandes resultados en su haber estando siempre en la zona media-baja de la tabla clasificatoria pero consiguiendo la permanencia sin mayores apuros.

Jugador histórico de Martos Club de Fútbol fue Vicente Cardoso, portero que después de militar en el Martos jugó en el Real Jaén, el Real Zaragoza y Sevilla, en primera división en los tres equipos entre otros.
Del Martos Club Deportivo hay que destacar a la quinta de jugadores de la localidad que consiguió tanto dos subcampeonatos como el campeonato en la temporada 1984/1985, así como otros posteriores: José Bermúdez, José Cuesta, Miguel Lastre, Rafael Palomino, José Cardoso, Nono Frasquier. También han destacado jugadores de la provincia de Jaén como Montijano, Delgado, Cámara, Antoñuelo o Esteban.
Entre los entrenadores que han pasado por el club han destacado principalmente Gonzalo Uceda al principio de los 80, Rafael Sedano a final de los 80 y principio de los 90 y José Bermúdez, con quién el Martos ha conseguido sus dos últimos ascenso, en año 2002 de regional a tercera y en año 2007 de regional preferente a primera andaluza.

En las temporadas 1991/1992 y 1992/1993 estuvo en el banquillo marteño Gregorio Manzano, quien posteriormente entrenara en primera división al Real Valladolid, Rayo Vallecano, Racing de Santander, Atlético de Madrid, Málaga CF, RCD Mallorca y Sevilla FC.

El Martos Club Deportivo juega sus partidos en el Estadio Municipal "Ciudad de Martos" antiguamente comocido como Estadio Municipal Chamorro Martínez de Martos, que debido a la ley de Memoria Histórica se dispuso cambiar el nombre del Estadio. Cuenta con una capacidad de 5000 espectadores y un terreno de juego de césped natural.
El estadio fue inaugurado en 1970 con un partido amistoso entre el Córdoba Club de Fútbol y el Sevilla Fútbol Club. Actualmente se llama Municipal Ciudad de Martos.