La chiesa dedicata alla Beata Vergine del Carmine sorse nel 1268 come parte di un convento carmelitano ancora oggi esistente; di quell'epoca restano visibili solo alcuni resti romanico-gotici sui fianchi. Il complesso fu ampliato una prima volta nel 1328, quando il Comune concesse ai frati l'uso del terreno adiacente la quinta cerchia di mura, e poi nel 1464, con l'aggiunta della sala del capitolo e del refettorio. I lavori ebbero termine nel 1476.

Come molte altre chiese fiorentine subì dei rinnovamenti fra il Cinque e il Seicento ma fu soprattutto il devastante incendio del 1771 che, dopo aver distrutto quasi completamente l'interno, richiese un completo rifacimento, del quale vennero incaricati gli architetti Giuseppe Ruggieri, autore del progetto, e Giulio Mannaioni, responsabile del cantiere. Venne completata, a parte la facciata, tra il 1775 e il 1782. L'incendio non aveva investito l'antica sagrestia, né la cappella Corsini, né, fortunatamente, la Cappella Brancacci.

L'interno della chiesa è, sin dall'origine, a navata unica con pianta a croce latina (m. 82x15, per un'altezza della cupola di 85). La navata presenta per ogni parte cinque cappelle laterali con altari, decorate da stucchi e pale dipinte. Tra queste cappelle si trovano i confessionali e le porte in noce che danno accesso al chiostro e alle altre cappelle e ambienti del convento.

Alla ristrutturazione settecentesca risalgono le pitture del soffitto: le quadrature con architetture illusionistiche sono di Domenico Stagi, mentre le scene figurate ad affresco della navata (Ascensione di Cristo) e della cupola (La Trinità e la Vergine in gloria fra i santi dell'Antico e Nuovo Testamento) sono opera di Giuseppe Romei.

Nelle cappelle di destra spiccano i dipinti della Crocifissione di Giorgio Vasari (1560, terzo altare), la Visitazione di Aurelio Lomi (1595 circa) e i Funerali di sant'Alessio di Bernardino Monaldi. In quelle di destra si trovano (dalla controfacciata): Adorazione dei Magi di Gregorio Pagani (firmata e datata 1603), Annunciazione di Bernardino Poccetti (firmata e datata 1601), Natività di Francesco Gambaccini (1782 circa), Centurione di Cafarnao che impetra da Cristo la guarigione del figlio di Giovanni Maria Butteri e Santa Maria Maddalena de' Pazzi ricoperta dal velo della Madonna di Giuseppe Fabbrini (1782 circa).