La fondation du prieuré Saint-Martin de Vertou par les moines de Marmoutier est attestée dans une charte dès le milieu du XIe siècle. Il est fondé près du château médiéval de la paroisse, au pied du coteau, vraisemblablement par la châtellenie des seigneurs de Montjean qui émerge sur le territoire peu avant. En effet, une charte de 1062 indique qu'Albéric Ier, premier seigneur attesté de Montjean, et son épouse Milesendis, avaient donné depuis longtemps les droits de l'église de La Pommeraye aux moines de Montjean. Sachant que, selon l'abbé Allard, l'abbaye de Marmoutier reprit son renom seulement vers 987 où elle fut réformée par saint Mayeul ; et qu'Albéric Ier, mentionné dans la charte, mourut vers 1011, la fondation du prieuré peut être fixée entre ces deux dates. Par conséquent, il est probable que Montjean fut une des premières, sinon la première obédience de Marmoutier en Anjou.

À leur installation, les bénédictins dédièrent une église à leur patron saint Martin. L'église paroissiale Saint-Symphorien de Montjean existant sûrement déjà, et ses droits leurs étant sûrement refusés, ils fondèrent au prieuré une église visible sur le plan général de Montjean et des veines de charbon de terre qui y sont connues datant de 1775-1780. Concernant l'église de La Pommeraye, elle fut achetée par les moines avec son fief presbytéral, au nom de Junior, clerc au château de Montjean, pour trois livres de deniers et trois quartiers de vigne à la fin du XIe siècle. Le fief presbytéral de La Pommeraye se composait de terres, de près, de vignes et de revenus. Il comprenait également certaines terres appartenant au seigneur de Châteaupanne, dont une charge annuelle de 15 sous et 8 deniers lui était versée en échange de celles-ci. D'après les pièces d'archives, il est vraisemblable que le prieuré fut sécularisé dès le milieu du XVIe siècle à la suite du départ des moines. L'abbé Allard lie le déclin du prieuré à celui du château de Montjean, dont la seigneurie ne prospéra pas, et à la fondation du prieuré des Cordeliers dans la paroisse à la fin du XVe siècle. Une chapellerie dédiée à sainte Madeleine et saint Julien est mentionnée au prieuré en lien avec l'aumônerie. Elle était probablement réservée au service particulier du seigneur.

À la Révolution, le prieuré et son église furent en majorité détruits. D'après le plan cité précédemment et des témoignages du XIXe siècle, l'église orientée était en croix latine, avec une nef parallèle à la rue actuelle du Prieuré et de la Mairie. Elle se terminait par une abside principale encadrée de deux absidioles sur les bras du transept. Seule l'abside est mentionnée "restée debout" au XIXe siècle par l'abbé Allard qui décrit une "voûte tout à fait primitive" recouverte de badigeon. En 1858, cette abside se situe dans les communs (remise) de Monsieur Clémenceau, ancien mairie de la commune, qui affirmait que le badigeon recouvrait des fresques. Une représentait : "un évêque à genoux à ses côtés un laïc auquel il semblait donner la confirmation. Le revers de sa main était appliqué sur les joues de son voisin".

Au milieu du XIXe siècle, la partie ouest du prieuré est totalement détruite lors du percement de la route départementale 15 (rue d'Anjou actuelle). Les bâtiments actuels au sein du parc du prieuré sont sûrement reconstruits dans la deuxième moitié du XIXe siècle. Le site accueille aujourd'hui des ateliers d'artistes et des expositions temporaires. En 1971, il ne subsistait de l'ancien prieuré que les vestiges du chevet de la chapelle, indatables, situés dans le bâtiment à l'est de la rue d'Anjou (propriété privée ; cf. : photographies de la chapellerie saint Julien). L'implantation du prieuré donna le toponyme du quartier à cet emplacement : le "bourg-aux-moines".