La chiesa è situata al decimo miglio (da qui il nome) della via Cassia e appare citata per la prima volta in un documento della Badia a Passignano datato marzo 884. Fin dal X secolo risulta sotto la tutela del Re d' Italia Lotario II e dell'Imperatore Ottone III, in quali la esentarono dal diritto di albergaria. Tale diritto venne confermato nel 1120.

L'interno è a tre navate di cinque campate ciascuna poggianti su pilastri rettangolari che reggono arcate a tutto sesto. Nei pressi del portale di accesso i primi due pilastri sono stati stonacati e mostrano la loro forma originaria.

Il rivestimento in filaretto era sicuramente anche nell'abside mentre le pareti delle navate laterali erano coperte con affreschi realizzati tra il XIII e il XIV secolo. Di questi affreschi è sopravvissuto solo un frammento situato sulla parete nei pressi del primo altare di destra: raffigura la Madonna col Bambino ed è stato attribuito a Cenni di Francesco. Sempre sulla parete destra è collocata una bella tavola di scuola fiorentina risalente al XVII secolo e raffigura Tobiolo e l'Angelo mentre nel lato destro del transetto vi è un Reliquiario in argento contenente una reliquia di Santa Cecilia.

L'opera di maggior pregio della chiesa è collocata nel coro dell'altare maggiore e raffigura una Madonna col Bambino fra i Santi Lorenzo e Cecilia, attribuita a Michele di Ridolfo del Ghirlandaio, ma più probabilmente di Carlo Portelli. Ai lati del coro sono collocate altre due tavole; sulla destra Santa Cecilia e il suo carnefice mentre sulla sinistra Santa Cecilia e il marito Valeriano , sono entrambe opere di ignoti e risalgono al XVII secolo. Sulla parete della navata sinistra sono collocate una tela raffigurante la Sacra Famiglia di scuola fiorentina del XVII secolo e nell'ultimo altare è collocato un Crocifisso ligneo di scuola fiorentina del XVIII secolo.

Sulla parte destra, dietro una cancellata, c'è il fonte battesimale; per terra è conservata una stele funeraria romana di un liberto con epigrafe in latino risalente al periodo tardo imperiale; nel medioevo venne modificata e usata come fonte battesimale.