Eretta dagli agostiniani nel 1367, anno in cui si trasferirono all'interno delle mura della città, la chiesa è caratterizzata da un semplice e lungo fianco sul quale si aprono le due porte di accesso (la chiesa è, infatti, priva di facciata). L'edificio era molto probabilmente già concluso nel 1432, anno della morte del priore Michele da Firenze, che molto si prodigò per la sua costruzione ed oggi è commemorato all'interno con un sepolcro terragno. Nel secolo XVIII subì radicali ristrutturazioni.

Con la soppressione del 1808 i frati lasciarono l'edificio che, divenuto proprietà demaniale ma con l'obbligo gestionale da parte del comune, fu adibito a scuola. Durante la seconda guerra mondiale il complesso architettonico subì gravi danni in quanto i tedeschi in ritirata fecero brillare l'alta torre campanaria seicentesca che franò rovinosamente sulla parte orientale della chiesa distruggendo gran parte degli affreschi di Masolino da Panicale. Dopo la ristrutturazione, che però mancò della ricostruzione della torre, l'edificio di culto è stato di nuovo restituito all'autorità religiosa per il culto mentre gli spazi del complesso conventuale, di proprietà comunale, sono utilizzati per mostre temporanee e adibiti al servizio della biblioteca adiacente.

Adiacente all'edificio ecclesiastico si sviluppa il chiostro di gusto rinascimentale, impostato su due livelli: la parte inferiore consta di una serie di arcate a tutto sesto poggianti su colonne; la parte superiore è una loggia, in parte ancora aperta. Dal chiostro si può accedere ai vari ambienti dell'antico complesso agostiniano, tra i quali il refettorio, affrescato nel 1780 (datato) dal pittore fucecchiese Alessandro Masini e restaurato nel 1994: oggi la stanza è adibita a mostre temporanee e ad auditorium.