La chiesa, attualmente in uso alla Confraternita di Misericordia di Montevarchi, ebbe la sua origine come chiesa del monastero delle suore agostiniane di clausura, detto "monastero di Santa Maria del Latte". Fu consacrata dal vescovo di Fiesole Francesco Cattani da Diacceto il 12 maggio 1573 e rimase di proprietà delle agostiniane fino alla soppressione del loro monastero avvenuta nel 1813 ad opera dell'amministrazione napoleonica.

 

I locali della chiesa furono ricavati in un tratto delle mura cittadine di Montevarchi e all'inizio era decisamente più piccola di quella attuale. Era divisa in due ambienti da un alto muro: uno era riservato ai fedeli che vi accedevano da via Cennano, e l'altra parte era riservata alle monache che vi accedevano dall'interno del monastero rispettando la clausura. Fra i due ambienti si trovava l'altare ed in questo era infissa una fitta grata di ferro tramite la quale le monache potevano seguire i riti religiosi. Il coretto delle monache si trovava nella parte absidale della chiesa, nel vano di un'antica torre delle mura castellane, la torre di Marchionne per la proprietà della quale le monache pagavano una tassa.

 

Quando le monache dovettero abbandonare il monastero per la soppressione napoleonica, e l'amministrazione incamerò anche tutti i loro beni, la chiesa fu privata dei suoi arredi e sarebbe stata chiusa se la curia fiesolana non vi avesse nominato un rettore nella persona del proposto della collegiata di Montevarchi. Questi, aiutato da pie persone che formavano due compagnie religiose già istituite in questa chiesa, la Congregazione di Sant'Antonio da Padova e la Congregazione del Sacro Cuore di Gesù, poté assicurare alla chiesa - sia pure saltuariamente - una ufficiatura religiosa. Di fatto tuttavia rimase praticamente abbandonata, tanto che in curia già si cominciava a pensare di sconsacrarla.

 

La salvò la Confraternita di Misericordia che la ebbe in uso nel 1846 quando, dopo essersi appena costituita, occupò i locali dell'antico convento. Urgevano però riparazioni e restauri per adattarla alle esigenze della Compagnia.

 

Per onorare il suo protettore san Sebastiano, la Confraternita pose dietro all'altare una tela centinata raffigurante la Deposizione di san Sebastiano. Un grande quadro raffigurante il santo che, dopo subito dopo il martirio delle frecce, viene assistito da pii nobili romani. Il quadro fu eseguito nel 1868 dal montevarchino Giuseppe Marrubini insegnante nella scuola di belle arti a Firenze.

 

Altri lavori furono eseguiti nel 1937 con l'abbattimento dell'antico divisorio tra chiesa e coro, sostituito dalle tre arcate che sovrastano l'altare, la chiusura delle nicchie laterali (oggi riaperte) con due bassorilievi in gesso raffiguranti il Battesimo di Gesù, e Maria in Trono dello scultore Giovanni Bianchi. Nel 1960 la chiesa fu nuovamente ristrutturata ampliando il coro, costruendo una balaustra artistica al limite del presbiterio, e rifacendo la facciata con l'apposizione sulla finestra centrale di una vetrata di Ascanio Pasquini raffigurante la Madonna della Misericordia. L'ultimo restauro risale alla fine degli anni ottanta.