Al centro dell'antico foro della città romana si insediò nell'VIII secolo una chiesa intitolata a San Michele, cui furono poi annessi un ospedale e un monastero. La sua ristrutturazione fu iniziata intorno al 1070, per volontà di papa Alessandro II, e continuata fino al XIV secolo. Allo stesso periodo risalgono le decorazioni delle finestre, ora chiuse, della cripta, visibili all'esterno alla base dell'abside. I lavori per la nuova chiesa, a tre navate, con colonne e capitelli corinzi e compositi ed abside, erano già a buon punto entro la metà del XII secolo. Contestualmente a questa fase di costruzione, fu innalzato il campanile (almeno nella parte inferiore), che fu mozzato da Giovanni dell'Agnello, doge di Pisa dal 1364 al 1368, perché il suono delle sue campane si udiva fino a Pisa e ciò era segno di superiorità sulla città alfea.

L'interno è a tre navate, con transetto e abside semicircolare. La struttura è coperta mediante una volta a botte lunettata. Sotto l'altare ci sono le cripte. Tra le opere d'arte conservate vanno segnalate: La Madonna con Bambino in terracotta smaltata di Andrea della Robbia, la Pala Magrini di Filippino Lippi rappresentante i santi Girolamo, Sebastiano, Rocco ed Elena, altorilievo della Vergine scolpito da Raffaello da Montelupo.