Fondata nel 1281, fu costruita, col convento contiguo, dal 1283 al 1316 (nel 1300-1310 sotto la direzione di fra Mazzetto). Per un certo periodo, all'inizio del Cinquecento, qui visse Fra Bartolomeo. I finestroni gotici furono tamponati dopo l'incendio del 1647, causato da un fulmine, che portò alla ristrutturazione dell'interno in un'ariosa veste seicentesca mantenendo il "guscio" gotico, su progetto di Baccio del Bianco completato da Pier Francesco Silvani (1648-1652).

L'interno secentesco, classico e solenne, ha pareti scandite da dodici nicchioni segnati da slanciate lesene in pietra serena, con trabeazione sulla quale posa un'ampia volta a botte. Il sereno contrasto fra le limpide superfici intonacate e il grigio della pietra si arricchisce nelle testate con la fastosa cantoria barocca su disegno del Silvani (con organo secentesco di Luca Romani, ristrutturato da Carlo Puccini e Domenico Cacioli) e all'opposto con la scenografica macchina dell'altar maggiore, aperta da un finto tendaggio sollevato da angeli (Baccio del Bianco), con baldacchino e complesso ciborio su progetto del Silvani.

Negli altari laterali, imponenti, sono sistemati, tra l'altro, a destra un raffinato Crocifisso su tavola di Lorenzo di Niccolò (fine XIV secolo), un Miracolo di san Vincenzo, della scuola di Pier Dandini e una Madonna e angeli del primo Settecento, di Giuseppe Pinzani; sulla parete opposta sono una felice Annunciazione (1633) di Matteo Rosselli (autore anche della Visione di san Filippo Neri), una maestosa tavola col Crocifisso che parla a san Tommaso (1590 ca) del Poppi, e San Vincenzo che esorcizza un ossesso (1664 circa) di Vincenzo Dandini.

A destra della facciata si entra nel convento, col vasto chiostro rinascimentale su colonne ioniche (1478-1480), lungo il quale sono monumenti funebri e lapidi, soprattutto del XIX secolo (tra i quali quelli di Piero Cironi, Luigi Muzzi, Giuseppe Arcangeli), fino alla tomba del drammaturgo Sem Benelli. Due finestroni centinati, sul lato est, si aprono sul Capitolo, ornato di resti di affreschi con Storie di San Domenico (1425-1430), vicini ad Arrigo di Niccolò.

Nei locali del convento è attualmente ospitato il Museo di pittura murale, che conserva vari affreschi staccati e molte sinopie, fra le quali quelle degli affreschi che Paolo Uccello dipinse nella cappella dell'Assunta nel Duomo di Prato.