L'edificio, dedicato all'arcangelo Michele risale all'XI secolo. Dopo essere stato utilizzato dai monaci olivetani, fu concesso nel 1592 ai Teatini. L'attuale costruzione fu progettata dal Buontalenti e realizzata grazie alle generose donazioni dell'aristocrazia fiorentina che speravano di rendere San Gaetano la più bella chiesa del barocco fiorentino.

La facciata in pietra forte è opera di Gherardo e Pierfrancesco Silvani.

Le statue e le decorazioni in marmo bianco sulla facciata scura sono di Giovan Battista Foggini e del tedesco Balthasar Permoser.

L'intatto e vasto interno è a croce latina con cappelle laterali decorate in modo scenografico. Esse sono sovrastate da un importante ciclo di sculture marmoree degli Apostoli ed Evangelisti del '600. In occasioni particolari l'interno della chiesa viene addobbato con un magnifico parato settecentesco caratterizzato da ricami dorati su fondo bianco.