L’edificio, illuminato da monofore e costruito in pietra locale, ha pianta ottagonale e copertura piramidale posta su un tamburo centrale rialzato.
La chiesa, attestata a partire dal 1138, come edificio annesso all’insediamento degli Ospitalieri di S. Giovanni di Gerusalemme, presenti a Pisa dal 1113, passò poi sotto il controllo dei Cavalieri dell’Ordine di Malta fino al 1817, data della loro soppressione, quando la chiesa venne trasferita sotto il Regio Patronato.
Un’iscrizione alla base del campanile ne imputa l’edificazione a Diotisalvi, già architetto del Battistero, ma i restauri del 1970 hanno messo in luce un precedente edificio ottagonale sul quale si impostano gli otto pilastri del tempio. Nel XVI secolo la chiesa, alla quale già si addossavano nuovi corpi di fabbrica, fu dotata di un portico in arenaria.
Decorata da stucchi alla fine del XVIII secolo, finì per essere chiusa per inagibilità nel 1848 e riconsacrata nel 1876 in seguito a un profondo restauro a cura di Rodolfo Castinelli, che portò al ripristino del piano originario e alla demolizione del portico, cui si aggiunse il rifacimento della piazza da parte di Pietro Bellini, autore della balaustra metallica esterna.
Al XII secolo risalgono la mensola scolpita con testa virile e le ghiere decorate con elementi fitomorfi e teste leonine presenti sul portale settentrionale; del 1859 è invece il busto raffigurante Diotisalvi posto sulla porta occidentale.
All’interno si conserva la lapide sepolcrale di Maria Mancini Colonna, nipote del cardinale Mazzarino, oltre al pozzo con il secchio che la leggenda vuole sia servito, nel XII secolo, a Santa Ubaldesca per le cure dei pellegrini ricoverati nel vicino ospedale.