El edificio, iluminado por monóforas y construido en piedra local, presenta una planta octogonal y cubierta piramidal sobre un tambor central realzado.
La iglesia, atestiguada a partir de 1138, como edifico anexo al asentamiento de los Hospitaleros de San Juan de Jerusalén, presentes en Pisa desde 1113, pasó luego a ser controlada por los Caballeros de la Orden de Malta hasta 1817, cuando fueron suprimidos y la iglesia fue transferida al Patronato Real.
Una inscripción en la base del campanario imputa su edificación a Diotisalvi, el arquitecto que ya había construido el Baptisterio, pero las restauraciones de 1970 han puesto a la luz un edificio octogonal precedente sobre el que se encuentran los ocho pilares del templo. En el siglo XVI la iglesia, a la que ya se adosaban nuevos cuerpos de fábrica, fue provista de un pórtico de asperón.
Decorada con estucos a finales del siglo XVIII, acabó cerrándose por inhabitabilidad en 1848 y fue reconsagrada en 1876 tras una profunda restauración a cargo de Rodolfo Castinelli, que comportó la restauración del plano original y la demolición del pórtico, a lo que se añadió la restauración de la plaza por parte de Pietro Bellini, autor de la balaustrada metálica exterior.
Al siglo XII se remontan la ménsula esculpida con cabeza viril y los anillos decorados con elementos fitomorfos y cabezas de león presentes en el portal septentrional, mientras que el busto que representa a Diotisalvi y que se encuentra en la puerta occidental es de 1859.
En el interior se conserva la lápida sepulcral de Maria Mancini Colonna, sobrina del cardenal Mazzarino, además del pozo con el cubo que, según la leyenda, en el siglo XII Santa Ubaldesca usaba para curar a los peregrinos ingresados en el vecino hospital.