Di importanti dimensioni, presenta un impianto planimetrico a navata unica rettangolare, coperta da volte a botte unghiate e conclusa da abside semicircolare, coperto da cupola. Il presbiterio è rialzato rispetto all'aula ed è separato da questa da una balaustra in marmo. L'apparato decorativo dell'interno è in stile barocco, con l'altare maggiore a tarsie marmoree e i quattro altari laterali in stucco ad imitazione del marmo, con le pareti decorate a marmorino.
Le pareti laterali sono scandite da paraste che sorreggono una cornice modanata su cui si imposta la volta di copertura. In controfacciata è presente una cantoria lignea che ospita l'organo.
Esternamente l'ordine architettonico di facciata ribadisce, semplificandolo, quello dell'interno: la facciata è intonacata e divisa orizzontalmente da un imponente marcapiano. Nella parte inferiore è scandita da quattro lesene che poggiano su un basamento in pietra, al cui centro si apre il grande portale con cornice e lunetta in pietra, mentre nella parte superiore, in asse con l’ingresso, si apre una monofora con cornice a edicola spezzata.
L’origine della Chiesa del Carmine risale probabilmente al 1291, quando venne edificata dai frati dell’ordine Carmelitano, da poco stabilitosi a Pistoia, vicino al nuovo monastero. L’edificio è dedicato al Santissimo Sacramento.
Durante il XV secolo, la struttura originaria fu rimodellata dall'architetto pistoiese Antonio Arrighi. Un’ulteriore modifica all'intero complesso fu operata dall'architetto padre Raffaello Ulivi, secondo lo stile rococò.
La decorazione delle volte ad affresco è dovuta a vari artisti importanti del periodo, tra i quali Tommaso Gherardini, Benedetto Burci e Vincenzo Meucci. Il dipinto della pala maggiore è invece da attribuirsi a Francesco Lupicini.
La particolare copertura del campanile ricorda edifici orientali, per la somiglianza con i minareti.
Nel XVI secolo la Chiesa fu ampliata e all'interno furono apportate decorazioni a stucco.
Nel 1741 la Chiesa fu completamente trasformata conferendole l'aspetto attuale, tra cui la sistemazione dell'interno secondo stilemi barocchi e la nuova copertura a botte che nasconde l'originaria a capanna lignea.
Dopo la soppressione di Chiesa e Convento nel 1803 ad opera di Napoleone, l’edificio è stato donato dapprima all'Accademia di Scienze, Lettere e Arti e poi adibita a magazzino durante la 2° Guerra Mondiale, per poi essere restituita alla Curia nel ‘49 e svolgere la sua funzione di Chiesa, ma per alcuni anni, dal 1883, fu trasformata in Ricovero dei Mendicanti.
Nel 2001 è stato iniziato un attento progetto di restauro della Chiesa per farla tornare al suo splendore originale. I lavori, coordinati dalla soprintendenza, si sono divisi in una prima parte, terminata nel 2003, che ha interessato gli intonaci esterni e ha portato ad alcune migliorie strutturali per quanto riguarda le capriate lignee, e in una seconda, conclusa nel 2005 con la restituzione della Chiesa alla Città.
Nel 2008 è stato inoltre ricostruito l’organo a canne a trasmissione interamente meccanica (datato 1746), posto nella cantoria sopra l’ingresso alla chiesa e venduto nel XIX secolo.
La decorazione della natività è interamente dedicata ai Santi Carmelitani, celebrati sulle pale degli altari laterali nella loro devozione verso la Vergine Maria.
Il presbiterio è, invece, una celebrazione delle tre Virtù Teologali, la Fede, La Speranza e la Carità, rappresentante nella lunetta soprastante l'altare maggiore e nella tela dell'altare stesso, che mostra la "Caduta della manna". Ai lati di questi si trovano due affreschi che rappresentano "Il Sacrificio di Isacco" ed "Elia confortato dall'angelo".
La Chiesa viene periodicamente aperta in occasione di vari eventi culturali e religiosi, concerti d’organo ed è sede dell’annuale manifestazione di “Presepiamo”. Vengono officiate liturgie nei mesi di Maggio e Luglio e solennemente per la Festa della Madonna del Carmelo il 16 luglio.
