La costruzione della chiesa ha avuto varie fasi, cominciando da quella gotica ad un'unica navata del 1278. Nel 1315 fu rifatto anche il monastero. È databile al 1319 la "Croce" dipinta di Segna di Bonaventura. Nel 1489 fu realizzato il chiostro progettato da Giuliano da Maiano. Quattrocentesco è l'affresco con san Lorenzo di Bartolomeo della Gatta, datato 1476.

La chiesa è stata completamente trasformata su progetto di Giorgio Vasari a partire dal 1565. I lavori si protrassero fino al Seicento e nel 1650 fu costruito il campanile. La chiesa è a tre navate composte da campate d'identica grandezza, quadrate quelle centrali e rettangolari quelle laterali.

Il presbiterio è dominato dal complesso monumentale dell'altare realizzato da Giorgio Vasari per la cappella della sua famiglia nella pieve di Santa Maria nel 1563 e qui trasportato nel 1865. Capolavoro di artificio barocco è la finta cupola dipinta su tela da Andrea Pozzo nel 1702 e posta al di sopra dell'altare maggiore. All'interno della chiesa è conservato anche un ciborio, probabilmente di Benedetto da Maiano.