Delen van de huidige Sint-Martinuskerk gaan terug tot het tweede kwart van de dertiende eeuw (de westtoren), terwijl de eerste vermelding van de
Sint-Martinuskerk teruggaat tot 1105. Maar haar patroniem, Sint-Martinus, verraadt een oudere geschiedenis en kan in verband gebracht worden met de tiende eeuw of vroeger. De hoge ouderdom van de bidplaats wordt bovendien bevestigd door een reeks archeologische onderzoeken in het centrum van Moorsel.

Tijdens het archeologisch onderzoek uit 1987 werden sporen uit de volle, late en post-middeleeuwen aangesneden. In verschillende structuren werd ook vroegmiddeleeuws aardewerk aangetroffen. Hoewel het hier gaat om herwerkt materiaal duiden ze ontegensprekelijk op Merovingische/ Karolingische bewoning in de Moorselse dorpskern.

De aanwezigheid van brokken kalkzandsteen en talrijke tegulae- en imbricesfragmenten laat bovendien de aanwezigheid van steenbouw veronderstellen. Het oudste aangetroffen spoor (tweede helft 9de tot de 10de-11de eeuw) was een greppel die vermoedelijk als perceelsbegrenzing dienstdeed. Deze wordt doorsneden door twee recentere parallelle grachten die een circulair verloop rond de huidige parochiekerk lijken te hebben. De opgave van de kleinste kan gesitueerd worden op het einde van de 11de - begin van de 12de eeuw. De grootste gracht is later te situeren, namelijk de late 12de-begin 13de eeuw. Beide grachten fungeerden vermoedelijk als fysieke begrenzing van het oudste kerkhof. Uit deze opgraving bleek dat er zowel in de zone ter hoogte van het inkomportaal als in de zone nabij het huidige koor reeds begraving plaatsvond minstens sinds de Karolingische periode en mogelijk zelfs eerder.

Het kleinschalig archeologisch onderzoek in 2007, uitgevoerd door het VIOE, situeert zich pal naast het onderzoek uit 1987. Zes grafkuilen konden worden geregistreerd binnen de circulaire grachten rond het kerkhof, maar buiten de postmiddeleeuwse stenen kerkhofmuur. Daarnaast kwamen ook vier zware paalkuilen en een oventje aan het licht.

Het onderzoek in 2009-2010 was het uitgebreidste van de drie; er zijn in totaal 101 skeletten geregistreerd. 32 skeletten waren te dateren in de middeleeuwen, aangetroffen rond de kerk en rond de kapel. Tussen beide concentraties was er een zone van 25m waarbinnen geen enkele begraving is aangetroffen, beide begraafplaatsen waren dus duidelijk gescheiden. Alle 69 postmiddeleeuwse graven zijn te situeren rond de kerk. De twee circulaire grachten aangetroffen in 1987 kwamen opnieuw aan het licht en meer naar het zuiden werd nog een derde gracht blootgelegd. Deze drie grachten tonen de evolutie van het kerkhofareaal doorheen de middeleeuwen (eerst een vergroting, gevolgd door een verkleining). Naast de skeletten en de grachten werden nog enkele kuilen, enkele paalsporen, een waterput en sporen van landschapsindeling aangetroffen. De paalsporen, drie rond de kapel en zeven rond de kerk, zijn mogelijk toe te schrijven aan voorlopers van respectievelijk de kapel en de kerk. Al de vermeldde sporen zijn afgedekt door een pakket gehomogeniseerde tuingrond te dateren in de 14de – 15de eeuw, welke kan dienen als terminus post quem.

Het archeologisch onderzoek van januari 2017 beperkte zich tot enkele convectorputten en leidingsleuven met een geringe diepte. Verschillende constructiesporen, zowel muur- als vloerresten, kunnen in verband gebracht worden met een of meerdere bouwfasen van de huidige kerk. Daarnaast werden enkele massieve funderingsmuren geregistreerd die op basis van hun onderlinge positionering en opbouw samen lijken te horen en hoogstwaarschijnlijk toe te schrijven zijn aan een voorloper van de huidige kerk. Het nagenoeg ontbreken van dateerbaar materiaal in de sporen maakt een datering van deze verschillende bouwfasen evenwel onmogelijk. Ondanks de beperkte begravingen die werden aangetroffen, kan er een onderscheid gemaakt worden tussen begravingen op het voormalige kerkhof (van vóór de noordwestelijke uitbreiding van de kerk) enerzijds en begravingen binnen de kerk (in de vorm van grafkelders) anderzijds. De kerkhofbegraving lijkt ten laatste in de tweede helft van de 17de eeuw te dateren, terwijl de grafkelders vanaf 1642 dateren. Het aantreffen van de restanten van een klokoven voor het zuidwestelijke toegangsportaal behoorde niet tot de verwachtingen. Toch diende de aanwezigheid van dit spoor, gezien de positie ter hoogte van het middelpunt van het bovenliggende kruisgewelf, niet te verbazen. Op deze plaats in het gewelf bevindt zich immers een zogenaamd klokgat, waarlangs klokken desgewenst naar boven of beneden konden getakeld worden.