La chiesa abbaziale originaria aveva una pianta a croce commissa con abside semicircolare, cripta e campanile cuspidato. Più basso dell'attuale, l'edificio originario era in pietra albarese chiara.

Nella cappella posta alla destra della maggiore, dove si trova il fonte battesimale, è decorata dalla tela di Jacopo Vignali del 1630 (in ringraziamento alla scampata pestilenza), raffigurante Madonna col Bambino e i santi Rocco, Sebastiano, Tommaso e Giovanni Gualberto. Di minore interesse altri due dipinti seicenteschi anonimi, un Martirio di san Bartolomeo e un Pentimento di Pietro.

La cripta absidata originariamente aveva un impianto a cinque navatelle con abside semicircolare e transetto databile all'XI secolo. Attualmente si presenta a tre navate di sei campate con copertura a crociera. È probabile che la cripta rappresenti quello che resta, almeno in pianta, dell'originaria chiesetta longobarda.

La sagrestia presenta un fregio affrescato da Bernardino Poccetti e aiuti, del 1585. Raffigura entro medaglioni Santi e beati vallombrosani, circondati da grottesche, angeli e piccoli episodi biblici a monocromo. Il bancone ligneo intarsiato risale al Quattrocento e presenta vari stemmi di famiglie che lo sovvenzionarono. Una porta bronzea e del mobilio sono degli inizi del XVI secolo.

Nel refettorio (oggi parte dell'Istituto delle Suore di Badia) si trova un altro affresco di Bernardino Poccetti del 1604 raffigurante le Nozze di Cana.