Questa zona di Pisa sembra essere occupata già in età etrusca e romana, come suggeriscono alcuni ritrovamenti archeologici. La chiesa e l’annesso monastero sono, invece, citati dal 1016, quando la cappella che qui sorgeva fu trasformata e dedicata all’arcangelo Michele ad opera del monaco benedettino Bono.
Il complesso passò ai monaci Camaldolesi tra il 1105 e il 1111, e vi rimase fino al 1782, anno della soppressione, in seguito alla quale la chiesa fu trasformata in Prioria. L’attuale edificio è il risultato di una lunga serie di rimaneggiamenti, iniziati nel XIII secolo e proseguiti con la trasformazione del campanile medievale, avvenuta nel 1676, il riadattamento tardo-barocco di metà XVIII secolo e la ristrutturazione successiva al terremoto del 1846, fino alla ricostruzione post-bellica terminata nel 1963.
La facciata con paramento marmoreo è trecentesca, ed è caratterizzata nella parte inferiore da tre portali: il centrale è sormontato da un’edicola gotica, che incornicia la Madonna col Bambino, angeli e l'abate offerente di Lupo di Francesco (originali al Museo di S. Matteo), e da una parte superiore con tre ordini di loggette. Le scritte leggibili nella parte inferiore della facciata sono riferite ad un’elezione del Rettore dell’Università risalente ai primi anni del XVII secolo.
Le tre navate interne sono sorrette da colonne con capitelli romanici, mentre l’altare maggiore è costruito sopra la cripta del XI-XII secolo. Qui si può osservare un Crocifisso trecentesco attribuito a Nino Pisano; per il resto vi si conservano affreschi e dipinti databili tra il XIII ed il XVIII secolo.
Due diversi scavi archeologici, uno antistante ed uno retrostante la chiesa, hanno rispettivamente portato alla luce una strada in mattoni di XIII secolo e le strutture del monastero tardo duecentesco, un pozzo di età moderna e dieci silos cinque-seicenteschi, utilizzati per conservare il grano.