L’église se trouve Piazza Mercatale, au niveau de via del Carmine ; fondée à l’origine en 1293 par les frères carmélites, mais détruite par un bombardement en 1944, elle dut être entièrement reconstruite. Les travaux s’achevèrent en 1958 sur un projet de Ivo Lambertini. L’entrée est précédée d’un vestibule avec un portique sur trois côtés, la façade rappelle le motif des trois arcades dans la partie inférieure, alors que deux ordres de fenêtres à une seule ouverture sont présents dans la partie supérieure.
L’intérieur a les murs peints et trois nefs, deux escaliers descendent de la nef majeure pour arriver à la crypte. Le presbytérium rehaussé s’achève par une abside avec deux ordres de fenêtres aveugles, séparé de la nef majeure par une balustrade en marbre, occupé par un remarquable ciborium du XVe siècle d’Antonio del Rossellino et de son atelier, placé sur l’autel moderne avec un précieux Crucifix peint, avec la Vierge et Saint Jean sur les côtés, réalisé pendant la première décennie du XIVe siècle par un anonyme peintre de Pistoia.
Quelques retables sont placés sur le mur de la nef de droite : une Vierge à l’Enfant, un tableau de Santi di Tito avec la Présentation au Temple et enfin une Vierge à l’Enfant et les Saints Barthélemy et Jean le Baptiste de Giovan Pietro Naldini (1580-1642). On trouve aussi un ciborium avec la relique du bras de Sainte Lucie, surmonté d’une statue en bronze et d’un retable raffiné de Iacopo Chimenti dit l’Empoli, représentant la Trinité, les Évangélistes et les Saints Lucie et Charles, de 1621-22. Dans le chœur, il y a un tableau avec Crucifix (1594) de l’artiste de Prato Leonardo Mascagni, sur le côté opposé, en revanche, on trouve une toile de 1675, peinte par l’artiste flamand Livio Mehus, avec le Mariage mystique de Sainte Catherine.
Sur le revers de façade, outre quatre toiles avec les Évangélistes, on trouve un tableau de la Nativité avec San Giovannino, œuvre botticellienne, dont le prototype est un dessin de Botticelli conservé au Cabinet des dessins de la Galerie des Offices. Au-dessus des portes sont placées deux autres œuvres de Stefano Parenti et Pier Dandini.
Dans la crypte absidée, il y a un imposant Crucifix en bois, sculpté par un artiste florentin vers 1320-30, d’abord conservé dans une chapelle qui lui était dédiée – à la suite d’événements miraculeux pour lesquels il fut fortement vénéré – mais qui a été détruite par le bombardement.
