Jde o drobnou stavbu s lodí kruhového půdorysu o vnitřním průměru 6,5 metru a síle zdiva 95 centimetrů; na východní straně k ní přiléhá apsida netypického parabolického tvaru. Zdivo je složeno z opukových kvádříků. Po husitském drancování roku 1420, při němž byl Vyšehrad téměř celý zbořen, rotunda přežila jako jedna ze dvou sakrálních staveb areálu, byť poškozena a vyrabována. V následujících staletích ji čekaly pozoruhodné osudy, sloužila jako skladiště střelného prachu, kuchyně, obydlí chudých, a v roce 1757 ji poškodilo pruské dělostřelectvo, zazděná dělová koule v jejím zdivu je viditelná dodnes. V roce 1841 rotundě hrozilo zbourání kvůli plánované silnici z Nového Města na Pankrác; zásahu hraběte Karla Chotka vděčíme za to, že stojí dodnes.
V roce 1875 ji za 500 zlatých vykoupila vyšehradská kapitula a v letech 1878–1880 proběhla její obnova a reromanizace podle návrhu architekta Antonína Bauma. Tehdy byl zazděn původní západní vstup a na jižní straně byl vytvořen novorománský kamenný portál s motivy z vyšehradského Korunovačního kodexu a nápisem Sancte Martine ora pro nobis, Svatý Martine, oroduj za nás. Interiér byl vymalován biblickými výjevy; novorománský oltář je ze sliveneckého mramoru. Rotunda dnes není turistům běžně přístupná, nahlédnout do ní lze při pravidelných bohoslužbách nebo v rámci organizovaných prohlídek areálu.