La sobria facciata neoclassica è opera di Agostino Fantastici; essenziale nelle linee, è articolata da materiali diversi che ne sottolineano il disegno. Il paramento murario, prevalentemente in laterizio, è interrotto da due risaliti in arenaria su cui si aprono i portali laterali, e da cornici in travertino, che corrono alla base della facciata e all'altezza del secondo ordine; il timpano triangolare presenta una cornice dentellata.

L'edificio presenta una pianta a croce latina con tre navate divise in quattro campate da pilastri a sezione rettangolare con lesene aggettanti su cui si imposta una doppia cornice a membrature, che corre lungo la navata centrale e il transetto, chiuso lateralmente da due ampie cappelle.

All'interno nella prima cappella di destra troviamo tele di Giovan Paolo Melchiorri sia all'altare che nei muri laterali; nella seconda cappella di destra l'altare è opera di Vincenzo Dandini e i dipinti sono stati realizzati nel 1673 da Deifebo Burbarini; nella quarta di destra il dipinto all'altare è di Rutilio Manetti mentre gli affreschi e i restanti dipinti sono di Astolfo Petrazzi. Nel transetto di destra si trova il fonte battesimale datato 1465 e la tela raffigurante la Natività opera del Poppi datata 1567. Dal transetto di destra si accede alla cappella del Sacro Chiodo, chiusa da una cancellata in ferro battuto realizzata nel XVII secolo, e qui è posto il marmoreo tabernacolo opera di Mino da Fiesole nel quale si conserva uno dei chiodi serviti per la crocifissione di Cristo. Qui è collocato anche un elegante leggio in bronzo, opera di Pietro Tacca del 1629.

All'altare maggiore è collocato il Crocifisso in bronzo fuso anch'esso opera di Pietro Tacca su modello del Giambologna. Nella collocazione originaria sono ancora gli stalli lignei del coro, realizzati nel 1628 da Silvestro Ceramelli.

Nel transetto di sinistra si trova la tela raffigurante l'Ultima Cena realizzata nel 1636 da Ottavio Vannini e nel battistero vi sono due tele di Cosimo Gamberucci entrambe del 1619. Nella quarta cappella di sinistra tele di Filippo Tarchiani; nella terza all'altare opera di Niccolò Tornili e ai lati dipinti di Giovanni Rosi fatti tra il 1662 e il 1663; nella seconda cappella di sinistra affreschi di Giuseppe Nicola Nasini del 1690.

A metà della navata centrale si trova il pulpito in marmo con bassorilievi risalenti al XIV secolo e al 1465.