Verso la fine del XIII secolo gli abitanti del castello di Pontedera richiesero al Comune di Pisa la costruzione di una chiesa all'interno della cinta muraria. Fino ad allora esisteva solamente la chiesa di San Martino, della quale oggi non rimane traccia, appena fuori le mura. Fu costruita fra il 1270 e il 1272 ma completamente trasformata nel corso dei secoli XVII e XVIII (a partire dal 1633). La chiesa ebbe il titolo di propositura posta fino agli inizi del XX secolo sotto il pievanato di Calcinaia ed era dotata di fonte battesimale e di un cimitero.

La notte seguente il venerdì santo del 1612 si sviluppò un incendio, evidentemente per qualche cero lasciato inavvertitamente acceso, che distrusse parte della chiesa lasciando però intatto il crocefisso ligneo. Da quel momento il crocefisso fu creduto miracoloso, divenendo oggetto di culto soprattutto nel XVII secolo. Originariamente intitolata ai santi Filippo, Iacopo e Biagio, la chiesa assunse la denominazione attuale nel 1936 a seguito dell'elevazione a propositura del duomo pochi anni dopo la sua costruzione.

L'interno si presenta ad unica navata con sei altari laterali. Tra le opere che possiamo ammirare troviamo: la scultura lignea dell'Annunziata della bottega di Nino Pisano (metà XIV secolo), figlio di Andrea da Pontedera; un frammento di affresco del XIV secolo di scuola pisana, raffigurante la Madonna del Carmine, attribuito a Turino Vanni; la Madonna del Rosario tra i santi Monica, Domenico e Agostino vescovo del Cigoli (1595); un tabernacolo in marmo, attribuito agli scultori Riccomini e Gagini; sull'altare maggiore un tabernacolo ottocentesco in argento sbalzato opera di Gaspare e Silvestro Mariotti, commissionato per accogliere il Crocifisso ligneo del XVI secolo; San Sebastiano, opera in legno policromo del XVIII secolo; Scena del battesimo di Cristo, affresco del XVIII secolo venuto alla luce solo dopo i restauri del 2000; busto dell'orefice Silvestro Mariotti, 1859 di Pio Fedi.