Nel corso del XVII secolo, edificata la cappella della Madonna del Rosario, le si dedica un notevole altare in legno intagliato e dorato, opera dell’artista campano Antonio Amatuccio. Allo stesso ambito è certamente ascrivibile il simulacro della Vergine d’Itria, il cui altare e sistemazione generale sembrano però suggerire interventi settecenteschi. Nel presbiterio si conserva la copia di un’epigrafe seicentesca che ricorda il passaggio della peste alla metà del secolo. In questo periodo al San Martino vengono istituite alcune confraternite, tra cui quella dell’Orazione (detta anche della Morte) e della Madonna d’Itria.
Rispettivamente al 1773 e al 1744 risalgono le sepolture di donna Margherita de Roma marchesa d’Arcais, e di Luigi De Roma marchese di Santa Maria: infatti la nobile famiglia De Roma possiede il diritto di sepoltura nella cappella della Beata Vergine d’Itria. Sempre della metà del Settecento è l’organo posto in cantoria: opera del Lazzari è l’ unico esempio a Oristano di organo antico insieme a quello della chiesa del Carmine.
Nel 1832 il convento viene soppresso per iniziativa di Monsignor Bua, il quale dopo breve periodo lo cede agli Ospedalieri trasferitisi dal complesso di Sant’Antonio Abate. I primi documenti di questa nuova amministrazione risalgono al 1834, ma dai registri pare vi fossero pochi posti letto disponibili. Dieci anni più tardi il convento si trova in precarie condizioni, tanto che alcuni ambienti risultano inutilizzabili e puntellati. Entro il 1861, sotto la rettoria del canonico Scintu, i religiosi vengono nuovamente espulsi dal convento. Al loro posto arrivano le Suore Vicenziane, che mantengono l’Ospedale fino alla costruzione del nuovo edificio a pochi passi dall’antico convento, nel 1966.
Sono da segnalare le numerose opere d’arte conservate nella chiesa, tra cui le statue in legno intagliato, policromato e dorato dei secoli XVII-XIX, un’importante tela con San Michele Arcangelo e alcuni frammenti dell’antica chiesa, come una balaustra in arenaria con decori floreali. Il cappello del Cardinale Pipia, prezioso dono del prelato alla chiesa, è curiosamente appeso al centro della volta, in direzione del presbiterio.
L’area circostante la chiesa di San Martino ha restituito materiale d’interesse archeologico d’età romano-imperiale, provenienti da una necropoli purtroppo non ancora sufficientemente indagata.

Un atto di donazione del 1228 al convento di San Martino, ha costituito per molto tempo la prova della fondazione del complesso religioso. Ma essendo ormai appurata la sua contraffazione quattrocentesca, la prima attestazione sicura risale al 1302: un concessione privata viene firmata nella chiesa indicata come loco monialium. Al 1335 risalgono invece i lasciti del giudice Ugone II, che stabiliscono cospicue donazioni per tutti gli istituti religiosi cittadini.
Ad un periodo successivo appartengono i caratteri formali dell’abside quadrangolare, concepita sugli stessi schemi della chiesa di Santa Chiara e del transetto della Cattedrale. Una volta a crociera costolonata con peducci decorati proteggono un ampio vano illuminato da una bifora.
In Epoca Moderna l’aula mononavata con copertura a capriate lignee subisce pesanti rimaneggiamenti: le quote vengono rialzate e si predispone una volta a botte; sui fianchi vengono aperte cinque cappelle. Le più antiche risultano le prime due accanto al presbiterio: quella  sinistra intitolata alla Madonna del Rosario edificata nel primo Seicento, quella destra dedicata alla Vergine d’Itria del principio del secolo successivo.

La chiesa può considerarsi tra i luoghi più importanti di Oristano. Nel 1410 si decreta la fine del Giudicato d’Arborea: il reggente Leonardo Cubello diventa primo marchese di Oristano e vassallo della Corona d’Aragona. Proprio al XV secolo risalgono i primi documenti di amministrazione del convento, conservati nel Brogliaccio e nel Condaxi: ovvero dei registri nei quali vengono trascritti gli atti. Tali documenti si sono rivelati di estrema importanza per riscostruire la situazione urbanistica oristanese e alcuni aspetti della vita del tempo.
L’arcivescovo Andrea Sanna eleva la chiesa a rettoria con una sua amministrazione particolare nel 1554, ma non diventa in seguito una parrocchia: la chiesa di San Sebastiano è  la sola e unica parrocchia in città e sotto la sua competenza permangono tutti i borghi e le adiacenze. Nel corso del Cinquecento la chiesa viene ceduta ai Domenicani perché vi istituiscano le scuole di Lettere, Teologia e Filosofia. Sorge una controversia tra l’arcivescovo Barberà e il pontefice: il Barberà si rifiuta infatti di cedere la chiesa ai religiosi, forse per via delle cospicue rendite dipendenti in quel momento dalla Mensa Arcivescovile. Il Santo Padre decreta la nomina del rettore tramite la Sede Apostolica, così l’arcivescovo torna alla sua obbedienza. Nel 1634 i Padri Predicatori si spostano però entro le mura della città, dove alcuni nobili oristanesi si sono prodigati per costruire un nuovo convento.