La chiesa, eretta dai Domenicani nel 1228-38, fu trasformata allo stato attuale nel 1727-33 da Carlo Francesco Dotti. 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 e solenne 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). Nella cappella a destra del presbiterio, Sposalizio di S. Caterina* di Filippino Lippi (1501). Nell'abside centrale, coro* intarsiato. Nella navata sinistra 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. Dalla sagrestia in fondo alla navata destra si accede al Museo di S. Domenico: busto di S. Domenico*, terracotta di Niccolò dell'Arca (1474); tra le pitture, due affreschi staccati di Ludovico Carracci. Dalla navata destra della chiesa si passa al chiostro dei Morti (sec. XIV-XV), dominato dal campanile romanicogotico (1336) di S. Domenico.