Ingevolge de decreten van 1781 en 1805, uitgevaardigd door Jozef II en Napoleon I, was men gestart met de ontmanteling van de 14de-eeuwse stadsvesten: aanvankelijk door sporadische afbraak van de voorpoorten, naderhand door gedeeltelijke sloop van een aantal poorten. Pas tijdens het Hollands Bewind volgde de definitieve slechting van de wallen en de aanleg van een brede ringboulevard met octrooiengordel. Het gedeelte tussen de Diestse- en Tiensepoort, met name de Tiensevest, werd in 1822 genivelleerd en beplant met dubbele bomenrijen. De imposante Diestse stadspoort, na een brand heropgebouwd in 1526-1529 en omgevormd tot arrondissementsgevangenis in 1819, zou nog tot 1872 overeind blijven.

Hierop gingen twee ingrijpende realisaties de verdere ontwikkeling van het Leuvense stadslandschap grondig beïnvloeden. Vooreerst het van stadswege opgelegde algemeen drievoudig rooilijnenplan, door toenmalig stadsarchitect F. Laenen tussen 1836 en 1839 uitgetekend voor de nieuwe straten in het oostelijk en westelijk stadsgedeelte en voor de bestaande straten in het bebouwde gedeelte. Verder het besluit van overheidswege Leuven op te nemen in het spoortraject Antwerpen-Keulen, met aanleg van de spoorweg en de inplanting van het station "extra muros", aan de rand van de stad. In aansluiting op zijn goedgekeurd (1839) aanlegplan voor het oostelijk stadsgedeelte projecteerde Laenen het stationsgebouw ter hoogte van de huidige locatie, met voorliggend een weids voorplein, dat in 1842 de benaming "Stationsplein" kreeg. Voor de aanleg van dit plein diende echter het tracé van de vesten op deze hoogte stadinwaarts verlegd en rechtgetrokken te worden. Aangezien nu het vestentracé tot het Leuvens stadsterritorium behoorde, werd in 1841 een overeenkomst bekrachtigd tussen de Stad en het Ministerie van Openbare Werken. Hierin werd onder meer gestipuleerd dat de Stad de nodige gronden voor de spoorwegsite en het plein aan de Staat zou afstaan en in ruil de Staat van haar kant zou instaan voor het rechttrekken van de vesten, de gedeeltelijke inrichting van het plein en de aanleg van een aftakkingsspoor naar de Vaart voor het goederenverkeer.

Door de beslissing de spoorweg buiten de stadsmuren aan te leggen, kwamen station en een gedeelte van het plein dus op het grondgebied van Kessel-Lo te liggen. Deze situatie bleef ongewijzigd tot het proces-verbaal opgemaakt door de Staat in 1881 en de grenscorrecties met Kessel-Lo in 1886, waarbij het station en het plein in zijn totaliteit geïncorporeerd werden in het Leuvense stadsterritorium, terwijl de Staat eigenaar bleef van een gedeelte van de ondergrond van het stationsplein. Teneinde een rechtstreekse verbinding station-stadscentrum te verzekeren en het stedelijk octrooirecht te vrijwaren, werd het plein opgevat als een ruime relatief gesloten rechthoek, in de as geopend voor de toekomstige invalsweg met wijd tracé, de "Statiestraat" of latere "Bondgenotenlaan", en op de hoeken met de vest ten zuiden begrensd door een octrooipaviljoen, in 1843 opgetrokken door Laenen, en ten noorden door een postgebouw.

Bij ministerieel besluit van 1842 werd een aanvang genomen met de uiteindelijke realisatie van het plein: nivelleringswerken en bestrating met kasseien werden samen met de rectificatie van de vestgedeelten toevertrouwd aan architect A. Payen. Voor de bebouwing van het plein vanaf 1843 gold als richtlijn het modelplan opgesteld door architect Laenen en goedgekeurd in de Gemeenteraad op 4/12/1841. Dit resulteerde in een op uniformiteit afgestemd neoclassicistisch geheel van aaneengeschakelde woningen onder doorlopende bedaking, met bepleisterde lijstgevels gekarakteriseerd door een zelfde kroonlijst- en vensterhoogte en doorgetrokken aflijning van de onderbouw. Samen met het sobere neoclassicistische stationsgebouw van 1839-1840, eveneens ontworpen door Laenen, vormde dit plein met haar omringende eenheidsbebouwing een bijzonder harmonisch stedenbouwkundig-architecturaal totaalensemble. Deze tijdstyperende architectuur werd ook aangehouden voor de bebouwing van het huidige Tiensevestgedeelte 2 tot 22, zij het blijkbaar in een minder homogene vorm. Door hun specifieke inplanting nabij het station werd het merendeel van deze panden uitgebaat als hotel, drankhuis, kleinhandelszaak..., op oude afbeeldingen overigens duidelijk afleesbaar uit de talrijke gevelopschriften en gelijkvloerse opstanden.

In 1876 werd het plein centraal opgeluisterd door een standbeeld ter ere van Sylvain Van de Weyer (1802-1874), diplomaat en mede-grondlegger van de Belgische Natie. Het bronzen beeld, gegoten door de "Brusselse Compagnie des Bronzes" naar ontwerp van beeldhouwer Charles Geefs, laureaat van de nationale wedstrijd uitgeschreven in 1874, werd onthuld op 1/10/1876. Tezelfdertijd had men ook de bouw aangevat van een nieuw en groter, het huidige stationsgebouw, naar de plannen van ingenieur-architect Henri Fouquet. Met zijn stijlvol en imponerend eclectisch gevelfront integreerde het zich perfect in de bestaande omringende bebouwing. Een heraanleg van het plein drong zich nu op. Ter verfraaiing ontwierp toenmalig stadsarchitect E. Frische een ruime square met plantsoen eindigend op een halfcirkelvormige uitleg rondom de stenen sokkel van het standbeeld, omringd door een gietijzeren hek, acht twee-armige gaslantaarns en een breed voetpad. De Staat zou instaan voor de nivelleringswerken, noodzakelijk teneinde de nu ontstane denivellatie ten opzichte van het vloerpeil van het nieuwe stationsgebouw op te vangen. Zij nam verder voor haar rekening de bestrating met kasseien, de aanleg van de zijdelingse voetpaden en het plaatsen van zes van de acht voorziene lantaarns. Plein en station werden plechtig ingehuldigd op 7 september 1879. Latere verfraaiingswerken volgden nog in 1909-1910 door de herbeplanting van het plantsoen met kleurrijke bloemperken, die in 1916 in terrasvorm werden heraangelegd. Met de vervanging van de aloude paardentram door een nieuwe, net vóór de eeuwwisseling, had de Stad op het plein en doorheen de Statiestraat een spoor laten aanleggen en ter plaatse van het vroegere octrooigebouwtje - later ingenomen door de "Grand Central Belge" - een elegant houten loket- gebouwtje laten oprichten.

De oorlogsgebeurtenissen van augustus 1914 hadden rampzalige gevolgen voor de onmiddellijke omgeving van het station. Op het Stationsplein en in het belendende Tiensevestgedeelte waren de meeste huizen nagenoeg volledig afgebrand. Afbraakwerken en opruiming van de puinen werden ofwel door de eigenaar zelf uitgevoerd - al dan niet mits een betoelaging van de Stad -, ofwel door het stadsbestuur en openbaar uitbesteed. In afwachting dienden een aantal eigenaars een bouwaanvraag in voor het optrekken van een voorlopige barak voor uitbating als café - meestal opgebouwd in hout, soms ook in duurzame materialen - die ze naderhand ook op eigen kosten dienden te slopen. De massale wederopbouw van de panden startte in 1916 en duurde tot omstreeks 1925. Deze kortstondige realisering en de vrij strikte beoordeling van de bouwplannen resulteerden in een bijzonder homogene wederopbouwarchitectuur, op het Stationsplein opgevat als een prestigieus decorum ter vervanging van de vroegere eenheidsbebouwing.

In 1921 richtte het stadsbestuur een openbare wedstrijd in voor de oprichting van een monument ter nagedachtenis van de burgerslachtoffers van de oorlog, waarvan meerderen gevallen en begraven waren op het Stationsplein en in 1919 verplaatst werden naar de stedelijke begraafplaats. Uit eerbetoon kreeg ook datzelfde jaar het Stationsplein de nieuwe benaming "Martelarenplein". Het ontwerpprogramma voor het monument werd overgelaten aan het eigen initiatief van de kunstenaar. In de "keurraad" zetelden leden van het Schepencollege en het Raadgevend Commiteit, een lid van de Vereniging van Belgische Steden en de Koninklijke Commissie voor Monumenten en Land- schappen, een bouwkundige en een beeldhouwer naar keuze van de mededingers. Laureaat werd de Brusselse architect A. De Bondt, wiens project evenwel summier diende aangepast te worden. Voor de beeldhouwwerken tekende de Brusselse kunstenaar Marcel Wolfers. De werken werden uitbesteed aan de Tiense aannemer A. Gillard, aangevat in 1923 en opgeleverd in november 1924. Voor de realisatie van dit project diende het plein echter centraal ontruimd te worden, waardoor het standbeeld van Van de Weyer in 1923 verplaatst werd naar het Volksplein (huidig Monseigneur Ladeuzeplein), waar het op zijn beurt in 1988 moest wijken voor de heraanleg van dit plein, tot het in 1993 uiteindelijk zijn huidige plaats kon innemen op de Kapucijnenvoer. In de plaats verrees het huidige, kolossale herdenkingsmonument, omringd door een zeshoekig waterbekken te midden van het plantsoen. De plechtige onthulling vond plaats op 26 april 1925 in aanwezigheid van Koningin Elisabeth, Kardinaal Mercier en de Franse maarschalk Foch.

Om te beantwoorden aan de steeds toenemende verkeersintensiteit onderging het plein tijdens de laatste decennia een aantal structurele ingrepen. Hierbij werden onder meer de square opmerkelijk gereduceerd en het plantsoen en het waterbekken gesupprimeerd. Alhoewel het tracé in grote mate behouden bleef, heeft het Martelarenplein heden haar oorspronkelijk typisch 19de-eeuws en sfeervol pleinkarakter ingeruild voor een duidelijke visuele en fysische opdeling in enerzijds het eigenlijke stationsplein, als druk verkeerspunt met circulaire functie en overluifelde perronhaltes voor het stads- en streekbussenvervoer, en anderzijds de twee rijstroken brede verkeersbaan van de ringboulevard en, vóór de pleinbebouwing, de twee afgebakende zijdelingse parkeerzones.

In 1992 werd het plein opgenomen in de studie van het grootschalig stedenbouwkundig ontwikkelingsplan voor het stationsgebied, in opdracht van de Vlaamse Executieve, de N.M.B.S., de stad Leuven en de vervoermaatschappij de Lijn, die zal resulteren in de opmaak van B.P.A.'s. Ter realisatie van de eerste fase van het ontwikkelingsplan werd in opdracht van de Stad Leuven recent (mei 1996) een stedenbouwkundig ontwerp opgesteld en uitgetekend door de Spaanse architect M. de Solà-Morales in samenwerking met het projectteam stadsontwerp onder leiding van professor M. Smets.