Nel l59l fu deciso da parte dei padri camaldolesi di costruire la chiesa attuale, su disegno di Bartolomeo Ammannati. Sembra che a condurre i lavori sia stato il Vasari, cui si deve il disegno dell'altare maggiore.

La chiesa di S. Maria in Gradi, impiantata su un preesistente edificio religioso menzionato dall'XI secolo, fu completata con il campanile all'inizio del Seicento, mentre il bel soffitto ligneo è del 1711.
La facciata è lineare e composta, in sintonia con l'unica grandiosa navata dell'interno, mossa da due ordini sovrapposti, con cappelle rientranti e in fondo due cantorie riccamente decorate.
Sulla sinistra è l'accesso alla cripta dell'antica chiesa, un ambiente anteriore al secolo XI, con volte e archi rivestiti di travertino e pareti aperte da nicchie. Sono qui conservati un Crocifisso ligneo e un affresco, ambedue del XIII secolo.
Ritornati al piano dell'attuale chiesa, è da ammirare, oltre al citato altare maggiore, la stupenda tavola in terracotta invetriata di Andrea della Robbia con la Madonna della Misericordia, eseguita nel periodo 1480 – 1490.
Tre per parte sono le cappelle sistemate nel Seicento, lungo le pareti laterali, dalle quali, entro finte nicchie, si affacciano figure di "Apostoli" con scene dei loro martiri sovrastanti, dipinte a fresco da Ulisse Giocchi ( l 600) e da Giovanni Battista Manzolini (1613).
Dentro la chiesa, a circa metà della navata, c'è un pozzo tradizionalmente connesso al martirio di San Donato.