La chiesa e l’annesso monastero, appartenenti alle monache benedettine, furono costruiti sulle fondamenta di un precedente tempio a partire dal 1027 circa. La chiesa fu ampliata nel secolo successivo, ma venne poi parzialmente demolita intorno al 1350. Avendo subito i danni di un incendio nel 1607, fu ristrutturata e ridotta nella sua originaria lunghezza, con la divisione dello spazio riservato alle monache da quello destinato ai fedeli.
All’inizio del Settecento la decorazione e gli arredi della chiesa furono completamente rinnovati. Gli interventi decorativi maggiori si devono ai fratelli Melani: la volta affrescata con la Gloria di S. Matteo, le finte statue a monocromo nella controfacciata, gli ovali dipinti ai lati dell’altare maggiore raffiguranti la Morte di S. Benedetto e l’Estasi di S. Benedetto. Con le soppressioni degli ordini religiosi, S. Matteo divenne parrocchia.
Il complesso monastico nel corso dei secoli ha subito i danni delle continue alluvioni dell’Arno, ai quali si sono aggiunti i guasti dell’ultimo conflitto mondiale (è andata distrutta la volta affrescata della chiesa delle monache).
Grazie agli scavi condotti nel 1947 è stato possibile rintracciare i resti delle absidi della chiesa originaria a circa due metri sotto il livello attuale. Anche all’esterno, nel lato destro, nel corpo absidale e nel campanile, si riconoscono le forme romaniche; passando attraverso il Museo di S. Matteo si può inoltre accedere al chiostro medievale, rimaneggiato nel XVI secolo ed oggi incorporato nelle strutture museali.
Degli arredi antichi non più in loco si deve ricordare la monumentale croce con il Christus patiens datata all’inizio del Duecento, ora conservata nel Museo di S. Matteo. Nel primo altare della parete sinistra è invece ancora collocato un crocefisso del XIII secolo, la cui testa è peraltro ridipinta.