Après un long voyage, passant par Milan et Rome, Martin revient à Poitiers et Hilaire encourage son installation dans un ermitage à Ligugé où il attire des disciples. La réputation de Martin, faiseur de miracles, se répand et les tourangeaux, en quête d'un évêque, viennent le solliciter. Par ruse, ils parviennent à le faire venir à Tours et à l'élire évêque malgré l'hostilité de certains évêques voisins. Martin prend à cœur sa nouvelle fonction mais veut aussi rester moine et fonde, à proximité de Tours, le monastère de Marmoutier.

Martin ne limite pas son action pastorale au seul diocèse de Tours. Il voyage à travers la Gaule, lutte contre le paganisme par des actes spectaculaires mais surtout par des gestes de miséricorde : chasser les démons, guérir les malades, guérisons miraculeuses qui jalonnent ses déplacements. A Trèves, une capitale impériale où Martin est venu plusieurs fois pour rencontrer l'empereur, il guérit une jeune fille paralysée. A Paris il guérit un lépreux par un baiser, à l'endroit où la tradition fixa ensuite la puissante abbaye de Saint-Martin des Champs. Mais il parcourait aussi les campagnes, autour de Chartres, de Sens, d'Autun, de Bourges, et gagnait les paysans au christianisme. Malgré son âge et sa fatigue, Martin se rendit à Candes, une paroisse qu'il avait fondée à la confluence de la Loire et de la Vienne. Il voulait apaiser une querelle entre les clercs de l'endroit. Il y réussit et mourut pieusement dans ce village. On rapporta sa dépouille à Tours au milieu de toute la foule des tourangeaux, citadins et paysans, et plus encore près de deux mille moines accourus de partout participèrent à ce deuil universel. Il fut inhumé dans un cimetière à l'ouest de la cité gallo-romaine