La costruzione della chiesa ha avuto varie fasi, cominciando da quella gotica ad un'unica navata del 1278. Nel 1315 fu rifatto anche il monastero. È databile al 1319 la "Croce" dipinta di Segna di Bonaventura. Nel 1489 fu realizzato il chiostro progettato da Giuliano da Maiano. Quattrocentesco è l'affresco con san Lorenzo di Bartolomeo della Gatta, datato 1476.

 

La chiesa è stata completamente trasformata su progetto di Giorgio Vasari a partire dal 1565. I lavori si protrassero fino al Seicento e nel 1650 fu costruito il campanile. La chiesa è a tre navate composte da campate d'identica grandezza, quadrate quelle centrali e rettangolari quelle laterali.

 

Il presbiterio è dominato dal complesso monumentale dell'altare realizzato da Giorgio Vasari per la cappella della sua famiglia nella pieve di Santa Maria nel 1563 e qui trasportato nel 1865. Nello stesso anno venne spostata un’altra opera di Giorgio Vasari, Assunzione e Incoronazione della Vergine, e collocata nella testata della navata destra. La tavola era stata realizzata nel 1567 per Filippo Salviati e ,invece, venne venduta a Nerozzo Albergotti e collocata nella sua cappella della Pieve di Santa Maria. La pala è costituita da una tavola centrale ad arco inserita in una cornice lignea intagliata e dorata, la scena è suddivisa in due registri ed è connessa attraverso la nuvola che arriva fino a metà altezza del quadro. Nella parte inferiore il sarcofago aperto con intorno gli apostoli nel registro superiore a destra è raffigurato Gesù che incorona Maria inginocchiata e a mani giunte, entrambe le figure sono circondate da angioletti. Nella parte superiore lungo l’asse centrale la colomba dello Spirito Santo. Negli scomparti laterali due tavole rettangolari dove sono raffigurati Sant'Agostino (o S. Donato) e San Francesco, e otto tavole poligonali, sull’arco che raffigurano delle Sante martiri (da sinistra con i loro attributi iconologici: Caterina da Siena, Apollonia, Agata, Orsola, Caterina d'Alessandria, Lucia, Margherita, e Maddalena).

 

Sopra l’altare maggiore è collocata la tela della Finta cupola, dipinta a Roma fra il 1701 e 1702 dal gesuita Andrea Pozzo, pittore, architetto e autore del trattato Prespectiva pictorum et architectorum, scritto fra il 1693 e il 1698. Il Pozzo acquistò notorietà nel tardo barocco, non solo in Italia, per i dipinti realizzati sui soffitti della chiesa di Sant’Ignazio di Loyola a Campo Marzio a Roma, fra i quali una tela dove l’artista utilizzò le sue conoscenze sulla prospettiva per imitare i piani e gli elementi architettonici di una cupola. Il dipinto ne ispirò sette similari, incluso quello preparato per la Badia di Arezzo, che misura 8,20 m di diametro e ha una circonferenza di circa 25 m. Per rafforzare la finzione in questo caso, l’artista dipinse anche la luce che sembra colpire l'interno della cupola da sinistra. Attraverso documenti rinvenuti presso l’Archivio della Curia Vescovile di Arezzo è stato possibile risalire al committente del dipinto, Vincenzo de’ Chiasserini priore di Monterchi ed è stato possibile scoprire che la tela risultò corta e fu necessario dipingere un’aggiunta. La tela venne spedita arrotolata da Roma e durante il suo più ultimo restauro, avvenuto fra il 1988 e il 1992, vennero scoperte sul retro delle iscrizioni, che si riferiscono all’orientamento spaziale da seguire per il suo montaggio, avvenuto nel 1702.

 

All'interno della chiesa è conservato anche un ciborio, probabilmente di Benedetto da Maiano.