El primer testimonio de una iglesia dedicada a San Francisco es de 1233. La comunidad minorista pisana creció rápidamente, favorecida por el apoyo del Ayuntamiento y por donaciones privadas. La iglesia se convirtió en un lugar público de gran importancia, sede de un studium, de una biblioteca y de un scriptorium.
En 1261 el arzobispo Visconti, reconociendo la importante función de los frailes predicadores, inauguró los trabajos de ampliación de la iglesia bajo la dirección de Giovanni di Simone. Cabe destacar la construcción del campanario, por su valiente sistema de imposta en un arco suspendido. Las dificultades financieras ligadas a las vicisitudes bélicas de finales del siglo XIII disuadieron a la ciudad del esfuerzo constructivo. La iglesia resulta incompleta a principios del siglo XIV, como revela la fachada, iniciada gracias a los mármoles proporcionados por los Gualandi, pero fue completada en la época de los Medici.
En los siglos sucesivos la iglesia y el convento fueron objeto de numerosas reestructuraciones. En el siglo XV se edificaron dos nuevos claustros y la capilla de San Bernardino. Entre los siglos XVI y XVII se erigieron los altares contrarreformados y se abrieron las ventanas en la nave. Dichas intervenciones destruyeron los frescos del siglo XIV.
La mayor parte de la decoración fue dispersada tras las supresiones lorenesas y napoleónicas. En el Museo de San Mateo se conserva el dosel con San Francisco e historias de su vida, atribuido a Giunta, mientras que la célebre Majestad de Cimabue y Los Estigmas de Giotto pasaron al Louvre. En el altar mayor se conserva el dosel de mármol que representa a La Virgen con el Niño y santos de Tommaso Pisano. En las capillas del transepto y en la capilla mayor se encuentran restos de importantes ciclos de frescos de principios del siglo XIV. En el lado oriental de la sacristía se abre la capilla Sardi-Campiglia, decorada con frescos de Taddeo di Bartolo (1397), mientras que en al aula capitular se puede admirar el ciclo pintado por Niccolò di Pietro Gerini (1392).