La prima attestazione della chiesa di San Zeno è del 1029. L’edificio si trova in una zona della città di Pisa nota nel Medioevo con il toponimo “alle grotte” per la presenza di strutture più antiche usate come fonti di approvvigionamento per materiale costruttivo. Anche nell’edificio in questione compaiono in effetti numerosi riutilizzi di età classica.
La chiesa che vediamo oggi, facente parte di un’abbazia retta inizialmente da benedettini, è il frutto di varie operazioni iniziate prima del X secolo. Gli scavi condotti negli anni ’60 del Novecento hanno infatti portato alla luce una struttura quadrangolare divisa in tre navate cui vennero aggiunte in appoggio altrettante absidi. Parti degli elevati di queste costruzioni sono inglobate nell’edificio di XII secolo: la fase più antica è anteriore al X secolo mentre quella intermedia trova confronto con esempi urbani databili intorno al Mille.
Oggi la chiesa risulta orientata in senso nordest-sudovest e all’interno è suddivisa in tre navate, scandite da colonne e da pilastri alternati, alcuni corredati da capitelli di reimpiego. La facciata, nel lato sud, è caratterizzata da un avancorpo affiancato dai resti del campanile che introduce all’ingresso vero e proprio. Tale struttura al pianterreno è costituita da un loggiato aperto decorato da lacerti marmorei romani e da arcatelle cieche con losanghe e oculi. Il primo piano, a muratura piena, è alleggerito da bifore anch’esse inquadrate da un’archeggiatura su peducci, caratterizzata dallo stesso decoro con circoli e rombi.
La chiesa nell’XI secolo era decorata da bacini marmorei oggi scarsamente conservati, di cui restano visibili gli alloggi circolari. Al di sopra, nella parte di facciata, frutto di interventi più recenti, è presente una grande apertura circolare sormontata da uno stemma arcivescovile quattrocentesco.