Chiesa tardo-quattrocentesca, opera di Giuliano da Sangallo, che ha realizzato un edificio simmetrico ed armonioso, a croce greca e bassa cupola con lanterna; purtroppo il rivestimento esterno, in calcare chiaro con riquadri in serpentino grigio/verde, non è stato completato nella parte superiore dei lati meridionale e orientale (completato invece il lato occidentale mentre il lato settentrionale non è visibile dall'esterno). Settecentesco è invece il campanile a vela, ben visibile dal lato est. L'interno, piccolo a pianta centrale, si sviluppa quasi per intero sotto alla cupola: nei corti bracci della croce greca vi è l'entrata principale in quello meridionale, le entrate laterali in quelli orientale ed occidentale, il presbiterio in quello settentrionale, dov'è l'altare maggiore (la mensa eucaristica è invece al centro della crociera). Ai lati del presbiterio (quindi nelle pareti laterali dei bracci orientale ed occidentale) vi sono due altari, entrambi con tavole di Michele Delle Colombe, mentre nel braccio meridionale, ai lati dell'entrata principale, si trova, a dx, un'acquasantiera cinquecentesca e, a sx, un crocifisso del '400. Sull'altare maggiore progettato da Giuliano da Sangallo è il miracoloso affresco trecentesco della Madonna col Bambino, che è stata la causa della costruzione di questa chiesa, dopo che nel 1484 aveva pianto. L'affresco, posto sul muro esterno del carcere, non fu spostato e la chiesa gli fu costruita addosso (da qui anche il nome di Santa Maria delle Carceri).
Ma i motivi di maggior interesse artistico di questa chiesa sono nelle terrecotte invetriate policrome di Andrea della Robbia (che ha realizzato il fregio che corre per tutta la trabeazione della chiesa e i tondi con gli evangelisti nei pennacchi della cupola) e le quattro vetrate poste in alto alla testa di ciascun braccio, disegnate da Domenico del Ghirlandaio.