La facciata è un rispettoso esempio dell'arte neoclassica. Si caratterizza per delle lesene e dei cornicioni che disegnano lo spazio scandito dalla finestra centrale e dai tre portali d'ingresso. Nel 1966 nel corso di restauri all'edificio furono aperte le due finestre laterali. La facciata è conclusa da un timpano sulla cui sommità, all'inizio del '900, furono poste alcune statue in terracotta dell'Impruneta.

Al suo interno una tavola di Frà Paolino da Pistoia (secolo XV) rappresentante L'Annunciazione della Madonna. Fino al 1796 la tavola era posta all'altare maggiore dell'Oratorio della Annunziata, situato un tempo a fianco della Collegiata. Nel quadro è dipinto anche un panorama di Firenze visto da San Casciano, così come doveva apparire all'epoca.

All'interno della sacrestia si trovano varie opere degne di nota. La più importante è il crocifisso ligneo attribuito alla bottega del Verrocchio. Si trova qui dal 1948; in precedenza ornava l'altare maggiore ma fu spostato per far posto a quello di Baccio da Montelupo. Altra opera interessante è il Martirio di san Pietro da Verona (Tiziano) di ignoto. È degna di nota perché si tratta di una copia di un dipinto di Tiziano oggi andato perduto. La tela proviene dalla chiesa di San Pier di Sopra. In sacrestia si trova anche un terzo quadro intitolato Sant'Antonio Abate che fa visita a san Paolo Eremita.