[2]​ Inicialmente fue dedicada a santa Martina, martirizada en el año 228, durante el mandato del emperador Alejandro Severo.

La dedicación de la iglesia al apóstol San Lucas se produjo después.

Aquella iglesia estaba dedicada a la Accademia di San Luca, que se había fundado en 1577.

Entre 1592 y 1618, diversos artistas (Federico Zuccari, Giovanni Baglione) presentaron proyectos para la reconstrucción de la iglesia.

Pietro presentó un proyecto que también incluyó espacios para los trabajos y las recepciones de la Academia, y comenzó a excavar bajo el altar, donde tenía la intención de colocar la tumba familiar, como era costumbre.

En noviembre de 1634, el papa Urbano VIII visitó la iglesia, y el sobrino del papa, el cardenal Francesco Barberini, quien había sido protector de la iglesia desde 1626, dedicó 6.000 scudi[7]​ aunque su pleno apoyo a un edificio nuevo parece haber sido dudoso.

La Academia hizo grabar estas disposiciones en el mármol, bajo el busto del artista sigue siendo legible en la actualidad.

Los brazos del transepto son más cortos, y presentan una curvatura menos pronunciada.

El problema es que al estar tan próximas las fachadas, podrían robarse protagonismo.

Los laterales rectos parecen oprimir al centro, que se abomba, creando el movimiento convexo.

El primero se configura mediante el muro, con su movimiento vital y vibrante, creando con las columnas y las pilastras adosadas una piel, un esqueleto, de tal forma que la iglesia parece cobrar vida, como una gigantesca ameba.

Es característico del espacio barroco, que tiende a envolver al observador, con un marcado gusto por lo cóncavo para los interiores.

En contraste con la amplitud espacial de la iglesia superior, la iglesia inferior, y particularmente la capilla de santa Martina, está ricamente decorada con color, mármoles, bronce dorado y tiene bóvedas relativamente bajas.

[13]​ Las ventanas contribuyen a llenar este espacio con luz, lo que simbolizaría la presencia divina.

En el transepto izquierdo hay una Asunción de san Sebastián por Sebastiano Conca, y en el transepto derecho está el Martirio de san Lázaro por Lazzaro Baldi, quien está enterrado aquí.