Загородный храм основан в Х веке (другая дата, предложенная исследователями – VI век), отличается хорошей сохранностью стен (до 3 метров высотой); в плане крестообразный; его особенность – в отсутствии восточной апсиды и наличии четырех входов на торцовых стенах ветвей креста; первоначально храм относился к центрическому типу (с так называемым центральным алтарем), позже перестраивается в обычный храм: три дверных проема закладываются бутом (оставлен только западный вход), в юговосточной ветви креста сооружается синтрон, пристраиваются жертвенник и дьяконник с апсидой, полы покрываются мозаикой. В центре мозаичной композиции – евхаристическая символика: канфар с двумя павлинами, из канфара произрастают две виноградные лозы, на которых сидят голуби; вся остальная площадь заполнена медальонами с изображениями птиц, плодов, цветущих веток, «заимствованных из царств растительного и животного».
В 1953 году мозаичные полы были перенесены во внутренний дворик Херсонесского заповедника, где их можно увидеть и сегодня. После снятия мозаичного пола, под ним открылись остатки (алтарная часть) небольшого по размерам, более раннего храма, основанного, вероятно, в V–VI веках.
«Малый храм был подвержен полному разрушению, и затем, через какое-то время, все, что от него осталось, было собрано в том месте, где находился алтарь, над которым, как над святыней, и был возведен новый крестообразный храм».
Несмотря на различия в датировке храма, все исследователи единодушно связывают его с памятью святого Мартина Исповедника, папы Римского.
Согласно житию, папа Мартин был приговорен к смертной казни по ложному доносу, якобы за «измену императору», потом помилован и, проведя несколько месяцев в тюрьме, в марте 655 году отправлен в Херсонес, где мученически скончался и был похоронен. Рядом с папой был погребен сподвижник некто Евперий, сосланный в Херсонес вместе с братом Феодором, и умерший спустя 12 лет после своего учителя.
«Будучи арестован, папа Мартин ни на йоту не отступил от своих принципов ни в ходе допросов, ни на суде, ни на ипподроме, ни в зале суда, ни в заключении, ни в ссылке. Все это создало ему огромный авторитет в ортодоксальной среде, как на западе, так и на Востоке: достаточно упомянуть такой неординарный факт: мортирий, посвященный его подвижничеству, был написан еще при жизни папы.
Всюду, где находился арестованный папа, местные непримиримые антимонофилиты изыскивали возможность установить с ним контакты. Сведения о его поведении в плену, его письма, протоколы допросов сразу же становились известными широкому кругу христиан, распространялись и переписывались. Так, по-видимому, было и с письмами, отправленными им из Херсонеса. Здесь он постоянно болел, так как был истощен и измучен полуторагодичным заключением, однако до самой своей смерти оставался непримиримым врагом монофилитства». «Истинно, пусть Бог, коий желает всем спастись и прийти к уразумению истины при посредничестве Святого Петра, – писал святой Мартин Исповедник из Херсонеса, – утвердит сердца их в православной вере и укрепит против любой еретической и враждебной нашей церкви личности и сохранит непоколебимыми, особенно же пастыря, который ныне оказывается во главе ее, чтобы, нигде не оступившись, не отклонившись и не покинув того, что они письменно засвидетельствовали перед лицом Бога и его святых ангелов, все они, вплоть до какого-либо самого из них ничтожного, вместе с моей униженностью получили бы корону справедливой веры православной из рук Господа и Спасителя нашего Иисуса Христа!
О бренном же сем теле моем позаботится и сам Господь, как угодно будет Ему распорядиться, и в непрестанных мучениях, и в незначительном утешении. Ибо Господь близко, и чего же я беспокоюсь? Конечно, я уповаю на Его милосердие в том, что не замедлит завершить мой путь, который Он предначертал. Да здравствуют во Господе все Ваши и все, кто из любви к Богу сочувствует моим узам. Да предохранит Вас Всевышний Бог мощной рукою ото всякого наказания и спасет во Царствии Своем!». Согласно данным письменных источников, папа был похоронен в «некрополе святых», «в прекрасном доме Девы Марии, именуемой Влахернской, за стенами, на расстоянии стадия от благословенного города Херсонеса».
Херсонесский Загородный монастырь в Карантинной балке с его богато украшенными храмами как нельзя лучше соответствует этому описанию.
Важно отметить, что еще задолго до погребения святого папы Мартина там были захоронены неизвестные нам христианские подвижники, также стяжавшие в Херсонесе мученические венцы; недаром это место называлось «некрополем святых»; некоторые исследователи предполагают, что ими могли быть первые херсонесские епископы-миссионеры.