Venne fondata nel 1227 e concessa ai monaci Carmelitani nel 1293. Rielabotata più volte dal Tre al Cinquecento, ebbe la facciata rifatta nel 1879 su disegno di Giuseppe Modonesi. Più antico resta il portale sul fianco destro, detto dei Boncompagni, che conserva una lunetta decorata da un rilievo di San Martino, opera di Francesco Manzini (1531). Il campanile antico ha la cella campanaria rifatta nel Settecento.

L'abside è decorata da una Madonna col Bambino, santi e il committente Matteo Malvezzi di Girolamo Siciolante da Sermoneta (1548), all'interno di una maestosa cornice del Formigine (1554). Qui si trova l'organo antico costruito da Giovanni Cipri nel 1556.

La prima cappella della navata sinistra ha forme toscane e venne eretta da Giovanni da Brensa nel 1506. Vi si conservano una tavola di Francesco Francia (Madonna col Bambino e santi), autore anche dello scomparto di predella col Cristo e della cimasa con una Pietà. Il paliotto a monocromo è invece opera di Amico Aspertini e mostra la Deposizione. Sulla parete destra si trova la frammentaria Adorazione del Bambino di Paolo Uccello (1437). Alla parete sinistra invece, su un piccolo piedistallo, la Madonna del Carmine in terracotta di Jacopo della Quercia.

La terza cappella contiene un crocifisso con santi di Bartolomeo Cesi, la quarta un San Girolamo di Ludovico Carracci (1591), mentre la quinta una tavola di Lorenzo Costa con l'Assunta (1506).

Più avanti tracce dell'antica chiesa trecentesca, con una Madonna immacolata di Simone dei Crocifissi e una serie di affreschi frammentari di Vitale da Bologna.

Chiude la navata una cappella di testa, detta del Battistero, che contiene due colonne romaniche e un trittico di scuola bolognese del primo Quattrocento. Vicino si trova l'accesso alla sagrestia (importanti tele seicentesche) e al campanile.

La prima cappella della navata destra è riccamente decorata da rilievi di Bernardino da Milano (capitelli, pilastri e balaustra), e da una pala d'altare con l'Adorazione dei Magi di Girolamo da Carpi. La quarta ha un affresco con la Madonna col Bambino di Lippo di Dalmasio, al quale segue, sul pilastro verso la cappella seguente, una frammentaria Crocifissione attribuita a Vitale da Bologna. La quinta ha una Madonna col Bambino e santi tra le più riuscite di Amico Aspertini, databile al 1510-1515.

Chiude la navata in testa una cappella riccamente decorata in forme barocche su disegno di Alfonso Torreggiani (1773). La cupoletta è affrescata con la Madonna del Carmine che dona lo scapolare a san Sime Stock, un tema tipicamente carmelitano, dipinto da Vittorio Bigari; all'altare una scultura lignea della Madonna col Bambino di Guglielmo Bergognone, colorita dal Guercino; sulla parete destra il Martirio di sant'Orsola di Giovan Giacomo Sementi e su quella destra San Carlo e altri santi di Alessandro Tiarini.