- Está situada entre la plaza a la que da nombre (conocida popularmente como Plaza de las Palomas) y la Plaza de Santo Domingo, en pleno centro de la capital.
- Es, posiblemente, uno de los más antiguos de edificios de culto de la ciudad de León. Fundada en al año 850 por el rey Ramiro I sobre una capilla preexistente edificada en el lugar que la leyenda marca como sitio en el que el centurión Marcelo hizo confesión pública de su fe; se supone que fue destruida por Almanzor,3 circa 995, y reconstruida varias veces.
- Donada a la catedral por el rey Sancho el Gordo, es el obispo Don Pedro quien acomete la primera reforma en el año 1096.
- A finales del siglo XII es monasterio agustino, donde se formó el joven Santo Martino; y hospital de peregrinos, uniéndose a los vecinos hospitales de San Lázaro y San Antonio Abad, del cual tomó el nombre. Es, en tanto que hospital y hospedería de peregrinos, la primera de que hay noticia en León.
- En 1254 alcanza el estatus de parroquia secular regida por un canónigo catedralicio con el título de "Abad de San Marcelo" hasta el año 1737, año en el los regidores pasan que pasan a denominarse "Provisor de San Marcelo".
- El azaroso traslado de los restos del mártir desde Tánger a León, donde fueron fervorosamente recibidos por el rey Fernando el Católico, cabildo, consistorio y pueblo llano en el año 1493 y depositados en la capilla existente, motiva, junto con la caída de la torre en 1559 (reconstruida en ladrillo sobre la base de la antigua torre y coronada por una veleta del cerrajero Pedro Flamenco en 1577) la definitiva reforma que llevarán a cabo los maestros Juan del Ribero y Baltasar Gutiérrez entre los años 1588 y 1628. El proceso de reconstrucción del templo significó un gasto extraordinario en el que se vieron implicados, morosamente, todos los estamentos ciudadanos, clericales y nobiliarios de la ciudad, produciéndose pleitos entre los diversos directores de obra y entre estos y las instituciones.
- Durante los siglos XIX y XX fue objeto de obras menores que le dan su actual aspecto; demoliéndose, en 1919, el hospital de San Antonio Abad, con el que comunicaba, para abrir paso a la calle Legio VII y reformándose el altar para adaptarlo a la nueva liturgia.