L'edificio fu eretto nel 1472 da Genesio del Frate per la Compagnia dell'Immacolata Concezione come cappella laterale della chiesa di San Francesco del Prato, sul lato sinistro: fu riedificato a partire del 1521 su disegno di Gian Francesco Zaccagni.

L'edificio sviluppa la sua pianta come un 'armoniosa croce latina. La copertura interna è a botte, mentre la congiuntura è data da una cupola. A causa dell'uso carcerario del complesso conventuale e religioso di San Francesco del Prato (per completare il percorso della ronda e consentire il passaggio continuativo della polizia penitenziaria), una parte della navata venne demolita, riducendo l'edificio a croce greca. In seguito la parte mancante venne poi ricostruita, ma lasciando vistosamente troncata la decorazione a fresco del soffitto.

Questi affreschi della volta erano stati realizzati tra il 1532 e il 1533 da Michelangelo Anselmi e Francesco Maria Rondani. La cupola e il tamburo sono ornati di rosoni, cherubini e putti. I pennacchi sono stati affrescati da Michelangelo Anselmi e recano le seguenti scene: la Natività di Maria; l'Incontro tra Anna e Gioacchino alla porta aurea di Gerusalemme; Sant'Anselmo salva sant'Elfino da un naufragio; La Vergine ordina a sant'Ildefonso di introdurre la festa dell'Immacolata.

La decorazione a stucco dell'interno fu realizzata da Antonio Borra nel 1718. Dello stesso periodo è la serie di dodici tele alle pareti, realizzata da Clemente Ruta tra il 1718 e il 1721.

La pala d'altare, incorniciata da una imponente ancona di legno dorato, venne realizzata per la cappella da Girolamo Bedoli. Rappresenta l'"Immacolata Concezione di Maria" inserita in un complesso apparato allegorico. Trasferito in Galleria nazionale, oggi è sostituita da una copia ottocentesca di dimensioni ridotte e fattura mediocre.