Considerata il prototipo dell'architettura romanica lucchese, fu ricostruita alla metà dell'XI secolo. Di impianto basilicale a tre navate, è caratterizzata da estremo rigore costruttivo, evidente soprattutto nel disegno della facciata, calibrata nelle proporzioni, nel raffinato paramento a filari alternati, alti e bassi, di calcare bianco, nelle decorazioni di impronta classica del portale di facciata e di quello laterale. In facciata, sul cornicione che segna la sopraelevazione della navata centrale, le basi di quattro colonnini suggeriscono l'ipotesi di un originario loggiato. Dalla decorazione dell'abside, i cui caratteri denotano un più vivace senso decorativo e tracce di cromia, sembra che i lavori si siano conclusi nella prima metà del XII secolo.

Nel XVI secolo l'edificio fu coperto con volte a crociera, la cripta fu interrata e il corpo di Sant'Alessandro venne trasferito nell'altare maggiore, nelle navate furono inoltre aperte finestre più ampie. Al 1840 risale un importante restauro della chiesa, voluto dal Duca Carlo Lodovico: gli interventi vennero diretti con sensibilità da Lorenzo Nottolini, mentre Michele Ridolfi dipinse l'abside ad encausto.