La facciata della Chiesa resta incompiuta; ancora oggi si presenta con un grezzo paramento in pietrame e laterizio.
Il complesso fu ingrandito in diversi periodi: una prima volta nel 1328, con il contributo delle più facoltose famiglie fiorentine e quando il comune concesse ai frati l'uso del terreno adiacente la quinta cerchia di mura.
Nel XIV sec. esso diventa Studium Generale, ovvero Università con facoltà di conferire i gradi accademici, e dà l’abito a Sant’Andrea Corsini (1301-1374).
I lavori si protraggono anche oltre la consacrazione avvenuta nel 1422, poi, nel 1464, quando furono aggiunti sala del capitolo e refettorio e terminarono nel 1475.
L’assetto della Chiesa viene alterato già nel Cinquecento quando, analogamente ad altre Chiese fiorentine, anche questa subisce consistenti lavori di adeguamento ai precetti dettati dal Concilio di Trento.
Per volontà del Duca Cosimo I, infatti, l’architetto Giorgio Vasari rimuove il tramezzo, colloca il coro nel presbiterio e rinnova completamente gli altari.
Intensi lavori di ammodernamento interessano successivamente anche gli ambienti conventuali: fra il 1597 e il 1612 viene ristrutturato il primo chiostro, che comporta la perdita del celebre affresco della Sagra di Masaccio; poi vengono costruiti il secondo refettorio, detto Sala Vanni, in onore a Giovan Battista Vanni, autore dell’affresco che lo decora (ca. 1645), e la nuova biblioteca.
Altri lavori, quindi, durati fino al XVII sec. Il convento comprendeva due chiostri, uno interno (facente parte del nucleo iniziale e restaurato nel 1490) ed uno esterno (costruito fra il 1600 e il 1612 seguendo lo stile originario).
La Chiesa venne quasi completamente distrutta nel 1771, quando scoppiò un incendio durante la realizzazione di un nuovo soffitto in legno intagliato; le fiamme, fortunatamente, risparmiarono la Cappella Brancacci, a destra del transetto e affrescata da Masaccio, Masolino e Filippino Lippi, l'antica Sacrestia, decorata da affreschi dell’inizio del Quattrocento e che conserva intatte le Storie di Santa Cecilia (attribuite a Lippo d'Andrea, 1400 circa), la Cappella Corsini (1675-1683), raro e pregevole esempio di barocco romano a Firenze e si salvò anche il monumento funebre in marmo a Pier Soderini (opera di Benedetto da Rovezzano, 1512-1513), posto all'interno del coro dietro l'altar maggiore, ma il resto dell'edificio dovette essere ricostruito.
Entro pochi anni la Chiesa viene completamente rinnovata in stile tardo-barocco dall'architetto Giuseppe Ruggieri, affiancato dai pittori Giuseppe Romei e Domenico Stagi, assumendo l’aspetto che la caratterizza ancora oggi.
Sul lato destro: al secondo altare è visibile la Crocefissione di Vasari (1560); al terzo altare, la Visitazione di Aurelio Lomi (circa 1590); nel transetto: a sinistra si apre la Cappella Corsini, costruita su progetto di Pier Francesco Silvani e dedicata a Sant'Andrea Corsini, ritratto negli affreschi della cupola (opera di Luca Giordano, 1682); nella cappella si trovano un altare e la tomba del cardinale Neri Corsini, entrambi in marmo ed eseguiti da Giovan Battista Foggini.
A fianco della Cappella Brancacci, nella Cappella della Passione, sono visibili resti di affreschi del XV sec. attribuiti a Lippo Fiorentino che rappresentano la Flagellazione, l'ultima cena e Santi.
Nella sagrestia sono ancora visibili parti della struttura gotica più antica, come le finestre e le capriate policrome scampate all'incendio del 1771; la cappella sul fondo è affrescata con scene della vita di Santa Cecilia databili agli inizi del XV sec. ed attribuite a Bicci di Lorenzo.
L'interno è a croce latina e caratterizzato da una sola navata e cinque altari per ogni parte, decorati con stucchi in stile settecentesco.
La Chiesa ha una lunghezza di 82 metri, è larga 15 e l'altezza della cupola è di 34 metri.
