Dopo un trentennio di occupazioni militari, nel 1563, Torino diventa sede ducale di Emanuele Filiberto. Se la Cittadella (1564-1566) costituisce la prima difesa militare della nuova città-capitale del ducato, possiamo dire che la chiesa dei Ss. Martiri (affidata alla Compagnia del Gesù) rappresenti la difesa dell'ortodossia religiosa durante l'età della Riforma cattolica. I Gesuiti infatti vengono chiamati a Torino per esercitare il loro ministero educativo già nel 1566, per iniziativa della Venerabile Compagnia della Fede Cattolica, istituzione che diventerà la Compagnia di San Paolo. Nel 1574 entrano in possesso di parte dell'isolato di San Paolo sulla via Dora Grossa, principale asse viario di Torino (attuale via Garibaldi), sede della parrocchia di S. Stefano e delle case del Seminario diocesano.
Estremamente significativa la dedicazione ai più antichi protettori di Torino, i Santi Martiri Solutore, Avventore e Ottavio: già venerati durante l'età del vescovo San Massimo (fine IV sec.), che sono ricordati come legionari romani trucidati durante persecuzioni. Il cantiere era stato avviato già nel 1577. Il progetto, tradizionalmente attribuito a Pellegrino Tibaldi, è in realtà frutto di un processo complesso di scelte architettoniche, religiose e politiche, ma nelle linee generali assume i caratteri del manierismo controriformista adottato dai Gesuiti alla fine del Cinquecento. All'interno da segnalare l'altare maggiore su disegno di Filippo Juvarra. La volta già affrescata da Andrea Pozzo e ridipinta nell'Ottocento da Luigi Vacca e Francesco Gonin. Notevolissima la pala d'altare del pittore delle corti
Gregorio Guglielmi, realizzata fra il 1765 ed il 1766.