La collegiata fu eretta nel 1588 sul luogo dell'antica Rocca. Nel 1753 venne aggiunto il tiburio sormontato da un cupolino realizzato nel 1812, anno in cui fu finito di sistemare il presbiterio.

L'interno della collegiata presenta una struttura a pianta a croce latina, con unica navata e transetto coperti con volta a botte. La navata, illuminata esclusivamente attraverso le due finestre di contro facciata, è affiancata da otto cappelle, quattro per lato, all'interno di ognuna delle quali vi è un altare. Alla sinistra del portale, dentro una nicchia, si trova il fonte battesimale, con coperchio ligneo scolpito. La navata è ornata da una serie di statue in stucco dei Dodici Apostoli, parte dei quali collocati ai lati dell'arco trionfale e dell'altare maggiore, opera di Bartolomeo Mazzuoli, completati nel 1746.

Al primo altare della navata si trova la pala con la Santa Caterina da Siena presenta Sant'Antonio da Padova col Bambino alla Madonna di Francesco Nasini (1650). Più avanti, il terzo altare è decorato con un insieme di volute lignee barocche che circondano un Crocifisso ligneo cinquecentesco di uno scultore ignoto. Segue all'altare seguente una Annunciazione di Agostino Veracini.

Al fondo del transetto destro è un grande altare dei primi anni del Seicento nel quale è una tavola con la Deposizione dalla Croce di Girolamo del Pacchia, proveniente dall'antica chiesa della Compagnia di Santa Croce.

La crociera è coperta con un tiburio ottagonale. Il presbiterio è delimitato da una balaustra marmorea ed ospita l'altare maggiore in stucco, sormontato da un tabernacolo in marmi policromi. Alle spalle dell'altare, vi sono gli stalli lignei del coro. A destra dell'altare maggiore è la pala con la Madonna col Bambino tra i Santi Martino e Sebastiano di Benvenuto di Giovanni proveniente dalla chiesa di Santa Lucia.

Nella parete di fondo del transetto sinistro, al secentesco altare di San Rocco si trova la Madonna col Bambino, San Sigismondo, Rocco, Giovannino, Antonio abate e Sebastiano dipinta dal Sodoma dopo il 1540, anno di fondazione della Compagnia di San Rocco e posta a questo altare nel 1614.

Il quarto altare sinistro ospita la pala con i Santi Caterina da Siena, Domenico, Martino, Francesco, Lucia e Caterina d'Alessandria di Giuseppe Nicola Nasini (1697), mentre il secondo presenta la tela con lo Sposalizio della Vergine di Rutilio Manetti, del 1612.