La chiesa venne costruita nel 1617-20 su progetto di Gherardo Mechini, architetto granducale, dopo una serie di eventi prodigiosi avvenuti nel 1616 intorno al tabernacolo mariano del borgo del Pesce, che richiamarono immediatamente folle di fedeli.
Tipica chiesa della Controriforma, Santa Maria della Pietà costituisce uno degli esempi più unitari e meglio conservati di architettura fiorentina del post manierismo: una struttura di proporzioni classiche, con pianta a croce latina, che si rifà alla tradizione rinascimentale riproposta però con una sensibilità nuova. Dall'arioso, esile portico tuscanico che circonda su tre lati la chiesa, nato per accogliere i pellegrini, si entra nella penombra della navata, con pareti intonacate e membrature in pietra serena. Un sapiente uso della luce concentra l'attenzione sulla scenografica parete traforata del fondo chiesa, con aperture, balconcini e un grande arco che inquadra l'elegante altar maggiore (realizzato nel 1622-25 in marmi policromi e pietre dure), lasciando intravedere il luminoso coro, coperto da cupoletta cieca ellittica. L'altare accoglie una pala di Mario Balassi (Dio Padre e angeli, 1638), che incornicia l'affresco miracoloso, una Madonna col Bambino trecentesca. La chiesa conserva alcuni dipinti ottocenteschi di Matteo Bertini e, su un altare laterale, una tela di Alessandro Gherardini con Santa Teresa (1703).