La chiesa di Santa Trinta è la sede dell'ordine benedettino vallombrosano, una famiglia religiosa che nel medioevo svolse in Firenze un ruolo spirituale e politico importantissimo. Questo gruppo religioso condusse una vigorosa campagna di lotta contro la corruzione della chiesa fiorentina del tempo, denuniando l'immoralità del clero e la simonia dei vescovi. Con l'appoggio del popolo, riuscirono ad ottenere la riforma del clero e la moralizzazione della chiesa. Questo spiega il prestigio e la popolarità dell'ordine e l'importanza della chiesa. I vallombrosani sono rimasti fedeli custodi della chiesa nel corso dei secoli.
La chiesa di Santa Trinita fu fondata nel XI secolo, si trovava inizialmente al di fuori delle mura di Firenze; nel 1172-1173, con la costruzione delle nuove mura, si ritrovò all'interno della città, acquistando maggiore importanza. I restauri effettuati alla fine del XIX secolo hanno messo in luce la cripta e la facciata interna della chiesa romanica.
Uno stile sobrio che rifletteva l'austerità dell'ordine. La cripta con la volta a crociera, è sorretta da colonne, i cui capitelli tipici del XI secolo sono cubici scantonati o a foglie di acanto. La sua struttura a trifoglio fa supporre che la chiesa avesse tre navate. Ai due lati delle scale, sorgevano, sopra basi di marmo bianco lavorato ,fasci di colonne di marmo verde, che servivano di sostegno al presbiterio. Parte di queste colonne, sono ancora visibili ai lati delle scale di accesso alla cella trichora. Il pavimento del presbiterio era decorato a mosaico, in marmo bianco e nero, con ornate e figure di animali fantastici. Nell'abside si può ammirare il busto di Cristo in terracotta policroma, della scuola del Verrocchio. La facciata interna della chiesa romanica, aveva un occhio rotondo in alto per dare la luce, era decorata con tre file di archeggiature su esili colonnine. Aumentavano lo splendore i numerosi mosaici, di cui si notano ancora alcune tracce. La chiesa di Santa Trinita fu ampliata e trasformata nell'attuale forma gotica, a croce egizia, nella seconda metà del XIV secolo, quando ottenne il titolo di abbazia. Uno degli architetti che si occuparono dei lavori fu Neri di Fioravanti. L'ampliamento della chiesa sacrificava anche parte dei locali monastici.
Le famiglie patrizie e mercantili contribuirono all'ampliamento con l'erezione di cappelle. La chiesa di Santa Trinita venne completata, alla fine del 1300, con la singolare torre campanaria, che non ha fondamento, si sorregge con l'aiuto di due beccatelli e poggia su un muro laterale della chiesa. Tutta la chiesa venne rivestita di affreschi, ma tra il XVII e il XVIII secolo, vennero ricoperti di bianco perchè considerati di mano inferiore. Parte degli affreschi furono ritrovati durante i restauri effettuati alla fine dell'800. Nel 1600 vennero rimaneggiate quasi tutte le cappelle ad eccezione della Cappella Bartolini Salimbeni, che conserva un ciclo di affreschi di Lorenzo Monaco, storie della Vergine eseguiti tra il 1420 e il 1425, che coprirono i precedenti dipinti di Spinello Aretino. Inoltre si trova, sempre di Monaco, una pala raffigurante l'Annnciazione. Anche la cancellata in ferro è risalente al '400. La cappella Strozzi fu progettata da Lorenzo Ghiberti, e corrisponde ora alla sagrestia. Qui fu realizzata la tomba di Onofrio Strozzi, ritenuta opera giovanile di Michelozzo. Da qui deriva la pala con l'Adorazione dei magi di Gentile da Fabriano, ora agli Uffizi. Della metà del '400 è anche la dolente Maddalena lignea di Desiderio da Settignano. Il capolavoro della chiesa è sicuramente la Cappella Sassetti, affrescata da Domenica Ghirlandaio tra il 1483-1486. Il ciclo e dedicato alla vita di San Francesco d'Assisi, poi vi è una tavola con l'Adorazione dei pastori posta sull'altare. La civiltà pittorica rinascimentale, armoniosa luminosa, costruita di razionalità e di decoro, ha qui espresso uno dei suoi capolavori più affascinanti. Particolare importanza riveste questo dipinto in quanto documenta i rapporti fra l'arte fiorentina e la contemporanea pittura fiamminga. In un particolare degli affreschi si può ammirare anche la facciata gotica della chiesa stessa. Le tombe di Francesco Sassetti e della moglie sono opera di Giuliano da Sangallo. Nella seconda cappella a sinistra si può trovare la tomba in marmo e maiolica policroma del vescovo di Fiesole, Benozzo Federighi, di Luca della Robbia. Alla fine del '500 Bernardo Buontalenti venne incaricato di rinnovare il presbiterio e di ricostruire il convento. Il complesso assunse così uno stile sobrio e allo stesso tempo imponente. Anche il rinnovamento della facciata venne affidato al Buontalenti, che presenta forme tipicamente manieristiche. Questa è caratterizzata da un disegno geometrico simmetrico con elementi tradizionali del barocco fiorentino, ma disposti in varianti originali.
Le sculture che ornano la facciata di Santa Trinita sono di Giovan Battista Caccini. Sempre del Caccini è la Cappella delle Relique di San Giovanni Gualberto nel transetto sinistro, con affreschi di Domenico Cresti. La chiesa ha sempre ospitato molte opere d'arte alcune delle quali sono state poi spostate in altri musei come la monumentale Maestà di Cimabue, ora agli Uffizi, o la Deposizione, iniziata da Lorenzo Monaco e conclusa una decina di anni dopo dal Beato Angelico, ora al Museo Nazionale di San Marco. Dalla vicina chiesa di San Pancrazio, ormai sconsacrata, furono portate altre opere d'arte tra cui il grande affresco staccato con San Giovanni Gualberto in trono, Santi e Beati vallombrosani di Neri di Bicci.