La prima pietra fu posata nel 1495, sotto la direzione dell’architetto Giuliano da Sangallo, per poi proseguire, a metà Cinquecento, con la guida di Giorgio Vasari, voluta specificatamente da Cosimo I. È proprio al Vasari che è dovuta la cupola, elemento architettonico che, visibile da ogni parte di Pistoia, è un chiaro rimando alla cupola del Brunelleschi a Firenze.
La ricchezza degli interni è dovuta senza dubbio ai devoti più benestanti che, nel tempo, hanno fatto sì che la chiesa acquisisse preziosità. Le cappelle laterali, per esempio, furono decorate per volere di importanti famiglie pistoiesi, come quella dei Rospigliosi. Tra le opere spicca l’altare maggiore, realizzazione dello scultore Pietro Tacca, allievo del Giambologna.