La piccola chiesa apparteneva alla Compagnia di San Niccolò del Ceppo, istituita nel Trecento, e deve il suo nome all'uso di mettere le offerte attraverso una feritoia in un «ceppo» di albero cavo. La compagnia si trasferì in questa sede, appositamente realizzata, solo nel 1561.

Nel 1610 Francesco Curradi realizzò per l'altar maggiore un affresco che sostituì il Crocifisso fra i Santi Nicola e Francesco (1430 ca.) del Beato Angelico. Nel 1734 il soffitto venne affrescato da Giovanni Domenico Ferretti che dipinse La Madonna e la Trinità accolgono S. Nicola in Paradiso mentre Pietro Anderlini si occupò della spettacolare quadratura architettonica che otticamente raddoppia il volume dell'ambiente. Dalle note di pagamento sappiamo che gli affreschi nell'oratorio e nelle stanze attigue furono ultimati gratuitamente da Domenico Maria Papi e da suo figlio Francesco, membri della Compagnia.

Su via Pandolfini si trova un portale cinquecentesco che dà accesso all'atrio, affrescato sulla parete sinistra da Peter Candid con la Vergine col Bambino tra i santi Niccolò e Girolamo (1585 circa). Da una porta che si apre nella parete di sinistra, si accede ad un secondo ambiente, che dà accesso alla chiesa, in cui vi è, entro una nicchia, una statua in stucco dipinto della Madonna col Bambino opera di Francesco Camilliani.