La chiesa, costruita con pietra locale e illuminata da finestre a feritoia, è di forma ottagonale con un tetto piramidale a cono che poggia su un tamburo centrale rialzato.
Nel 1138 questa chiesa è menzionata come parte di una costruzione appartenente ai Cavalieri Ospitalieri di San Giovanni di Gerusalemme, giunti a Pisa nel 1113. Successivamente appartenne ai Cavalieri di Malta fino al 1817, quando l’Ordine fu soppresso e la chiesa passò sotto il patrocinio reale.
Un’iscrizione alla base del campanile ci dice che l’architetto fu Diotisalvi, che progettò il Battistero, ma i lavori di restauro del 1970 hanno portato alla luce un precedente edificio ottagonale su cui poggiano gli otto pilastri di questo tempio. Nel XVI secolo fu aggiunto alla chiesa un portico in arenaria, che era già stato chiuso da edifici successivi.
Verso la fine del XVIII secolo fu decorato con modanature in stucco, ma fu chiuso nel 1848 perché pericolante. Nel 1876 fu riconsacrato, dopo numerosi lavori di restauro sotto la guida di Rodolfo Castinelli, che lo riportò al suo livello originale e smantellò il portico; contemporaneamente la piazza fu ridisegnata da Pietro Bellini, che creò la balaustra metallica che circonda la chiesa.
La mensola scolpita con una testa di uomo, gli anelli scolpiti con fogliame e le teste di leone sopra la porta nord sono del XII secolo, mentre il busto di Diotisalvi sopra la porta ovest risale al 1859. All’interno si trova la lapide di Maria Mancini Colonna, nipote del cardinale Mazzarino, e un pozzo con secchio che si dice sia stato usato da Santa Ubaldesca Taccini, patrona di Calcinaia.