Iniziata nel 1280 e terminata verosimilmente entro il 1298, interamente realizzata in mattoni, è semplice e austera, con i finestroni gotici che scandiscono i fianchi, coronati in alto da una cornice di arcatelle trilobate. La chiesa presenta caratteristiche derivate sia dall'architettura romanica che da quella gotica. La facciata principale è aperta solo da un portale e da un occhio con la cornice decorata in cotto. Solitamente si accede alla chiesa attraverso la porta che si apre sul fianco destro.

Di notevole interesse é la cappella del beato Bartolo i cui resti mortali sono custoditi in un monumento marmoreo, scolpito nel 1495 da Benedetto da Maiano; gli affreschi della parete e della volta furono eseguiti nel 1500 da Sebastiano Mainardi; il pavimento in terracotta è opera di Andrea della Robbia. Sull'altare maggiore domina l'incoronazione della Vergine con Santi, dai lineamenti incisivi, tavola dipinta nel 1483 da Piero del Pollaiolo.

A Benozzo Gozzoli si deve il ciclo di affreschi, nella cappella maggiore, con episodi della vita di Sant'Agostino, eseguito negli anni 1464-1465 con l'aiuto degli allievi Pier Francesco Fiorentino e Giusto di Andrea, autori anche dell'affresco votivo di San Sebastiano. Pregevoli sono i frammenti di affreschi di Bartolo di Fredi ed una Madonna di Lippo Memmi (1317), nonché la tavola di Fra' Bartolomeo con Madonna e Santi ( 1530) ed in Sacrestia un Crocifisso ligneo del secolo XV.