Contiene il dipinto che raffigura "San Michele che scaccia gli angeli", rappresenta una delle opere più importanti di Domenico Beccafumi.
Nella Cappella del Sacramento, vicino all'altare, c’è la "Natività di Maria" del Sodoma e nel presbiterio, presso l’altare maggiore, è collocato un ciborio del Cinquecento; dietro la sagrestia c'è un ambiente, con volte a crociera, progettato da Francesco di Giorgio Martini e anche qui sono presenti altri importanti dipinti.  
Dove oggi sorge il convento del Carmine esisteva una piccola chiesa dedicata a San Niccolo' il cui impianto era completamente diverso rispetto all'attuale chiesa. Successivamente, intorno alla metà del '200, vi si insediarono i Carmelitani. Solo tra il XIV e XV secolo sia il convento che la chiesa furono ingranditi con quest'ultima che rispetto' la semplicità della vecchia pianta rettangolare come voleva la regola Carmelitana.  
Ulteriori rimaneggiamenti furono effettuati nel XVI secolo con il probabile intervento di Baldassare Peruzzi. Episodio, questo, che ha reso celebre il convento del Carmine in quanto rammentato anche da Dante nella Divina Commedia."havendo disagio d'acqua et havendo notizia della vena di Diana sotto Castelvecchio, la quale rigava sotto terra pel loro orto, et haveva l'uscita in Tressa, deliberaro un pozzo, donde si cavarono, a canto all'orto, più di ottanta braccia e non trovarono mai la vena eccetto che alle sessanta braccia trovaro la terra acquidosa".
Nonostante la presenza dei frati del Carmelo a Siena sia documentata con certezza solo dal 1262, la cronaca medioevale di Giovanni Bisdomini riporta che nel 1178 i frati del Carmine. (N.V.), ma da alcuni antichi documenti sembra che già nell'anno 770, dove oggi sorge il convento del Carmine, c’era una scoscesa balza dove si erano stabiliti alcuni Romiti, i quali si costruirono una chiesetta dedica a San Niccolò. 
La prima testimonianza sulla presenza dei Carmelitani a Siena è del 1256, quando il Comune di Siena donò a quei religiosi diecimila mattoni per la costruzione e della loro chiesa. Di questa prima chiesa rimangono poche tracce, le quali permettono di ritenere che avesse l’abside dove la chiesa successiva ha la facciata.  
Nel 1329 il Consiglio della Campana (o Consiglio Generale) del governo senese, decise di assegnare a questi religiosi cinquanta lire senesi per contribuire a pagare il pittore Pietro Lorenzetti. Molte sono le opere d’arte che hanno decorato questa chiesa; la più antica è un piccolo quadro, in stile bizantino, che esprime la Madonna “Mater Decor Carmeli”, detta anche “Madonna di San Luca”. 
Questa immagine veniva portata in processione per la città in caso di pubbliche calamità. 
Tra i secoli XIV e XV , i frati del Carmine ingrandirono e rinnovarono il loro convento, e specialmente la chiesa che la regola carmelitana volle nella semplicità della vecchia pianta rettangolare 
Una cura speciale ebbero i Carmelitani per il culto dell’Eucarestia. Nel 1365 rivolsero una supplica al Comune di Siena allo scopo di ottenere un sussidio per fare un Tabernacolo, lo stesso documento parla di un’insigne opera di oreficeria che doveva gareggiare con il Tabernacolo del Duomo di Orvieto, e attesta l’effettuazione di una bella processione per la festa del Corpus Domini. 
Nel secolo XV iniziò a radunarsi, in questa chiesa, l’”Arte della lana” per le proprie celebrazioni liturgiche e vi eresse una propria cappella riccamente decorata di opere artistiche. Ad un altare dedicato a San Bartolomeo ufficiava l”Arte dei Cuoiai”. 
Nel 1517 venne costruito il nuovo refettorio, nel 1544 fu fatto un baldacchino di rara magnificenza per le processioni eucaristiche. Fu innalzato, in questo periodo, il campanile che verrà ricostruito ai primi del secolo XVII; nel 1590 venne costruito il chiostro maggiore. 
Nel 1685 furono rinnovati gli stalli in noce, perdendo però i vecchi stalli del secolo XIV, ricchi ed eleganti d’intaglio e di tarsia. 
Nella rinnovata devozione per il Beato Franco da Grotti, la cui fama dal XIII secolo si diffuse presto oltre i confini della stessa città, nel 1766 fu eretto un altare in marmo, collocandovi sopra una pesante urna in marmo giallo che ne custodiva la salma. 
Nel 1810, per la soppressione degli ordini religiosi, i Carmelitani si trasferirono in Santo Spirito fino al 1816 quando, con la ripristinazione, tornarono al loro convento. Ancora nel 1862 i Carmelitani se ne andarono da questa sede, affidandola all Congregazione del Suffragio.  
Il convento destinato al presidio militare della città, fu usato come caserma fino ai primi anni del 1960, dopo di che, restaurato e ristrutturato, divenne sede del Dipartimento di Chimica dell’Università di Siena.  
La chiesa del Carmine, venne restituita ai Carmelitani nel 1937, ma a causa della mancanza di vocazioni, i primi mesi del 1998 lasciarono definitivamente questa chiesa.nei primi mesi del 1998.