Annoverata tra i capolavori del romanico pisano venne fondata verso il 925 ed è attestata dal 1032; il convento è documentato dal 1147. Durante la costruzione della cattedrale, fu concessa la facoltà di esercitare il culto e le pubbliche funzioni nelle grandi solennità in San Paolo a Ripa d'Arno.

Appartenne ai monaci di san Benedetto e dal 1092 fu sede dei monaci vallombrosani. Alla metà del XII secolo fu ampliata in forme analoghe al contemporaneo Duomo. In seguito la chiesa e il monastero furono affidati in commenda al cardinal Landolfo Marramauro e, nel XVI secolo furono assegnati all'Ordine dei cavalieri di Santo Stefano. Con la soppressione dell'ordine, la chiesa divenne parrocchia.

Nell'Ottocento furono apportati diversi restauri, ma l'edificio subì alcuni danneggiamenti durante la seconda guerra mondiale e pertanto fu nuovamente restaurato tra il 1949 ed il 1952. Proprio a seguito degli interventi postbellici furono demoliti gran parte degli edifici che si trovavano in aderenza alla chiesa, presso la cappella di Sant'Agata.