Fondata tra il 1324 e il 1328 dai frati Carmelitani provenienti da Barbaricina, subì nel corso del VI e XVII secolo radicali trasformazioni, che decretarono la scomparsa delle originali forme medievali.
Il prospetto principale, intonacato e tinteggiato, è delimitato da due lesene laterali, impostate su un alto basamento rivestito in lastre di marmo, e coronato da un timpano triangolare con cornice aggettante.
Il portale principale, incorniciato da stipiti e architrave marmorei, è concluso da un frontone spezzato, al centro del quale campeggia una cartella con stemma dell'ordine Carmelitano.
Ai lati dell'ingresso, in posizione simmetrica rispetto ad esso, si inseriscono due nicchie contenenti due sculture marmoree del profeta Elia e di San Giovanni Battista, collocate originariamente sui pilastri dell'arco trionfale e realizzate alla fine del XVII secolo da maestri carraresi e, nella parte superiore della facciata, un finestrone rettangolare incorniciato in marmo.
Il fianco sinistro, affacciato su via del Carmine, conserva l'assetto in laterizio risalente al XIV secolo ed è dotato di quattro finestre rettangolari e di un secondo portale di accesso alla chiesa.
Il fianco destro, invece, risulta edificato in aderenza al chiostro, alle strutture conventuali e ad altre abitazioni private. La parte tergale, anch'essa in mattoni faccia-vista, prospetta su via Turati, in corrispondenza di uno slargo utilizzato come parcheggio.
Qui, sul lato sinistro, una cancellata in ferro, decorata con lo stemma dell'ordine, consente l'ingresso al cortile interno del convento.
Il corpo centrale della parete absidale, affiancato dai corpi di fabbrica delle cappelle laterali, è dominato da un enorme finestrone rettangolare sormontato da un oculo vetrato ed accoglie, sulla sommità della copertura (lato destro), il piccolo campanile a vela recentemente consolidato: la struttura, intonacata e tinteggiata, presenta due celle campanarie affiancate ed una di dimensioni minori posta al vertice.
All'interno, la chiesa si presenta a navata unica con presbiterio rialzato di tre gradini rispetto al resto dell'aula. Tre archi trionfali, di cui quello centrale maggiore, incorniciano la scarsella absidale e le due cappelle adiacenti, tutte a pianta rettangolare.
Sulla parete destra, un grande portale in marmo conduce al chiostro trecentesco, caratterizzato da un doppio ordine di colonne.
Una porta aperta sul lato destro del presbiterio, consente l'accesso alla sacrestia e da qui, tramite un corridoio, ai locali del convento.
La controfacciata ospita al centro il portale principale, realizzato in marmo da Pompeo e Giuseppe Franchi nel 1757 e sormontato da un ampio finestrone rettangolare con cornice marmorea. Ai lati dell'ingresso si trovano due altari seicenteschi: a destra, quello dedicato a Santa Teresa d'Avila, presenta la tela dell'Estasi della santa, dipinta da Crescenzio Gambarelli nel 1622; a sinistra l'altare di patronato della famiglia Taddei (1629), è ornato dalla tela coeva di Francesco Curradi raffigurante l'Apparizione della Vergine a Sant'Andrea Corsini. Davanti alla moderna bussola d'ingresso, ai lati del corridoio centrale, trovano posto due acquasantiere marmoree del XVI secolo, rimaneggiate nel corso dell'Ottocento.
Grazie all'appoggio di Papa Giovanni XXII, il priore Donato Carratella ottenne il permesso di trasferirsi ed acquistò un ampio terreno nel vivace quartiere di Chinzica, a sud dell'Arno.
In origine, nel secolo XV, la Chiesa appariva di piccole dimensioni: l'ingresso doveva aprirsi sul lato destro del presbiterio, in corrispondenza del portale tamponato che ancora oggi è visibile dalla parete nord del chiostro.
Negli anni venti del Quattrocento, il notaio Giuliano di Colino degli Scarsi da San Giusto fece costruire a sue spese una cappella "dirimpetto al choro" ed affidò i lavori a Pippo di maestro Giovanni da Gante picchiapietre. Per l'altare di detta cappella fu commissionato a Masaccio il celebre polittico quattrocentesco.
Nel XV secolo (1427), nella navata della chiesa fu eretta la cappella della famiglia Dal Poggio, in seguito donata all'Università dei Mercanti catalani in cambio della possibilità di costruire un altare per la famiglia nella sacrestia.
Tra la fine del XVI e l'inizio del XVII secolo, la cappella di Giuliano di Colino degli Scarsi fu distrutta e, in quest'occasione, venne disperso il monumentale polittico di Masaccio che la decorava. La pala fu smembrato probabilmente per volontà della famiglia Berzighelli, patrona dell'altare: il San Paolo, unica parte rimasta a Pisa, fu donata dal canonico Francesco Berzighelli al confratello Paolo Tronci nella prima metà del XVII secolo.
Tra il 1568 e il 1612 furono eseguiti ingenti lavori di ammodernamento degli arredi interni e di adeguamento degli stessi alle direttive emanate dal concilio di Trento. L'intervento comportò la demolizione dell'antico coro, la dispersione degli arredi pittorici non più di moda (v. il polittico di Masaccio del 1426, oggi smembrato) e l'erezione dei monumentali altari per cui furono commissionate nuove e più moderne tele.
La chiesa così ampliata e restaurata fu riconsacrata il 20 maggio 1612 dall'Arcivescovo di Pisa Sallustio Tarugi.
Nel 1657 iniziarono i lavori per la costruzione del campanile nell'angolo sud-ovest della chiesa, mai conclusi.
Nel 1835 fu eseguito il rifacimento della facciata, sotto la direzione di Michelangelo Ciancolini.
La parrocchia, istituita il 14 giugno 1839, assorbì la cura d'anime della soppressa chiesa di San Sebastiano in Kinzica.
Nel 1862 il convento fu requisito e qualche anno più tardi definitivamente soppresso (1866). Nonostante ciò i frati, investiti delle funzioni parrocchiali, continuarono a reggere la chiesa e ad abitare il convento.
L'inondazione dell'Arno del 1870 provocò molti danni alla chiesa, successivamente riparati. In quest'occasione fu eseguita la nuova pavimentazione della navata e lo spostamento di tutte le lapidi terragne lungo le pareti.
Il chiostro, gravemente danneggiato dai bombardamenti della Seconda guerra mondiale (1944), fu ricostruito nel 1961.
