De nave única y cabecera cuadrada, sigue el modelo habitual del románico rural tardío de transición al gótico.
La parte más antigua de la iglesia, de fundación prerrománica, es la pequeña capilla trapezoidal.
Capiteles imposta del arco de triunfo, de decoración prerrománica.
Ménsulas de la crucería
Oratorio o capilla de Santa Lucía
Cubierta con bóveda de cañón y decorada con pinturas de estilo renacentista popular, en la que se representa a Santa Lucía, escenas del entierro de San Martín e imágenes de angelotes.
Como se puede ver en las fotos siguientes, su estado es deplorable.
Portada oeste
Las dovelas del arco están decoradas con escudos, un jarrón con flores y la Cruz de los Ángeles.
Portada sur
Está decorada con sogueados prerrománicos reaprovechados para construir el alfiz.
La iglesia de San Martín aparece ya citada en el año 926, en el testamento de Ramiro, hijo de Alfonso III, confirmando las donaciones de sus antecesores a la iglesia de San Salvador de Oviedo:
... per ecclesiam Sancti Martini qui est nostra integra, per illa cogolla, per flumen elmon...
El actual templo fue reconstruido en el siglo XV, reaprovechando materiales del monasterio femenino de San Martín de Soto de Dueñas, construido en el siglo XII. Durante ese siglo y el siguiente, el monasterio de San Martín aumentará su patrimonio y detentará el señorío jurisdiccional del coto de Llames, posiblemente concesión de Enrique de Trastámara.
Hasta el siglo XIV no se vuelve a saber nada sobre el monasterio, cuando a finales de ese siglo, la abadesa y las monjas son convocadas por el obispo Don Gutierre de Toledo en el monasterio de San Bartolomé de Nava, acusándolas de indisciplina y de no observar la regla, ya que no guardaban voto de pobreza ni vestían el hábito monacal (y otros pecados de la carne...). El obispo depone a la abadesa de su cargo y la envía a Oviedo, mientras que las monjas (dos en total) son enviadas a San Bartolomé, suprimiendo así el monasterio de San Martín que entrega, junto con el monasterio de Santa María de Villamayor (en el vecino concejo de Piloña y por motivos similares) a los monjes cistercienses de Valdediós , para constituir con ambos patrimonios un solo monasterio en Villamayor.
En algún momento posterior, desconocido, las monjas de Soto vuelven a su monasterio, pero en el siglo XV, el sucesor de Don Gutierre cierra nuevamente el cenobio enviando a las monjas de nuevo a Villamayor, pero conservando éstas todos sus derechos sobre los bienes pertenecientes a Soto. Tras la muerte de las monjas, sus bienes se incorporan al monsterio de Santa María, y cuando éste se incopora al monasterio de San Pelayo en 1545, también lo hacen sus bienes.
Ya en 1558, los vecinos de Llames solicitaron a la abadesa de San Pelayo licencia para utilizar la piedra y la madera de la vieja y ruinosa iglesia del monasterio de Soto, en la construcción de un nuevo templo, en el que aún hoy pueden verse elementos pertenecientes a la primitiva iglesia del convento. De ahí su nombre: "ex-coto"
