La chiesa, eretta dai Domenicani nel 1228-38, fu trasformata allo stato attuale nel 1727-33. Sulla sinistra della facciata duecentesca (ripristinata) sporge la cappella Ghisilardi, su disegno di Baldassarre Peruzzi (1530-35). L'interno conserva l'impronta della trasformazione settecentesca. Nella navata destra si apre la ricca cappella di S. Domenico*, del 1597-1605 (sul catino dell'abside affresco con Gloria di S. Domenico* di Guido Reni), che custodisce l'arca di S. Domenico**: per l'urna con Storie del santo ebbe commissione Nicola Pisano, che la eseguì con gli allievi Arnolfo di Cambio, Pagno di Lapo, Fra' Guglielmo nel 1265-67; la cimasa con le statue dei Santi* patroni della città è di Niccolò dell'Arca (1473); l'Angelo* a destra e le statue di S. Petronio* e S. Procolo* sono di Michelangelo (1494); dietro l'arca è il reliquiario* del capo di S. Domenico, prezioso lavoro di Jacopo Roseto (1383). All'altare del transetto destro, S. Tommaso d'Aquino del Guercino (1662). Nella cappella a destra del presbiterio, Sposalizio di S. Caterina* di Filippino Lippi (1501). Nell'abside centrale, coro* intarsiato (1541-49); in alto Epifania e ai lati Ss. Nicola e Domenico, di Bartolomeo Cesi (1595). Nel transetto sinistro: in una cappella a destra, Crocifisso* su tavola di Giunta Pisano (1250) e sepolcro di Taddeo Pepoli, opera toscana del sec. XIV. Nella navata sinistra: 7ª cappella, a croce greca su progetto di Antonio Terribilia (1551); la 5ª cappella è del 1460 (all'esterno, struttura poligonale tardogotica), con i 15 misteri del Rosario dipinti da Calvaert, Cesi, Carracci, Reni, Albani e altri; nel vestibolo seguente, monumento ad Alessandro Tartagni*, opera di Francesco di Simone Ferrucci; nella 2ª cappella, S. Raimondo di Penafort di Ludovico Carracci. Dalla sagrestia in fondo alla navata destra si accede al Museo di S. Domenico. Dalla navata destra della chiesa si passa al chiostro dei Morti (sec. XIV-XV), dominato dall'abside della cappella di S. Domenico e dal campanile romanicogotico (1336).