La chiesa era sorta nel secolo XII, forse su una cappella più antica. Intitolata a Santa Maria, viene citata per la prima volta nel 1195 in una bolla del papa Celestino III, che ne ricorda la dipendenza dalla pieve di San Genesio di Vico Wallari.
Quando nel 1248 fu distrutto il borgo di fondazione longobarda che si estendeva ai piedi di San Miniato, Santa Maria acquisì il fonte battesimale e il titolo di San Genesio. In quell'epoca l'edificio fu ristrutturano, decorando la facciata con bacini ceramici, come nella migliore architettura pisana. Nel 1274 lo scultore comacino Giroldo da Arogno vi realizza il bassorilievo dell'Annunciazione.
Quando nel 1369 San Miniato entrò a far parte dei domini fiorentini, la risistemazione dell'area della rocca incluse la chiesa che divenne così inaccessibile ai fedeli. Solo nel 1489, con lo stabilizzarsi della situazione politica, il vicario fiorentino restituì la chiesa al clero locale. Fu quindi riaperta dopo un ampliamento che incluse la torre campanaria, una possente costruzione a pianta quadrata, nota come la Torre di Matilde.
A metà della navata centrale, a destra, si trova il pulpito marmoreo di Amalia Dupré che presenta, sopra il parapetto, dei bassorilievi. Alla stessa artista sono da riferire alcuni monumenti funebri nelle navate, progettati da suo padre Giovanni Duprè e legati ad alcuni sanminiatesi illustri: Jacopo Buonaparte, il vescovo Giovan Francesco Maria Poggi, il chimico Gioacchino Taddei e il poeta Pietro Bagnoli.
L'antico pulpito, firmato Giroldo da Como e datato 1274, è oggi nel Museo diocesano. La fonte battesimale marmorea, all'inizio della navata, è a forma di vaso, scolpita da Giovan Battista Sandrini nel 1639. Nel braccio destro del transetto un'acquasantiera duecentesca.
Il presbiterio, che occupa la crociera, è delimitato da una balaustra in marmi policromi e presenta, sotto l'arco absidale, l'altare maggiore barocco in marmi policromi sormontato da un pregevole Crocifisso ligneo di scuola pisana del XVIII secolo e situato alle spalle della cattedra episcopale in legno dipinto. Nell'abside, si trovano gli stalli lignei del coro.
Tra le pale d'altare spiccano la Deposizione di Francesco d'Agnolo detto lo Spillo, fratello di Andrea del Sarto (nella cappella a sinistra del transetto, 1528), l'Adorazione dei pastori di Aurelio Lomi (prima cappella a destra), la Resurrezione di Lazzaro di Cosimo Gamberucci (prima cappella sinistra), il Battesimo di Cristo di Ottavio Vannini con la collaborazione di Orazio Samminiati (cappella del fonte battesimale).
