Durante la prima metà del Trecento una fanciulla ricoverata nell'ospedale dei santi Donnino e Lorenzo fu guarita dall'infermità grazie all'intervento della Vergine Maria. A seguito di questo miracolo la stanza dell'ospedale in cui era avvenuto fu trasformata in oratorio. Un valente pittore che prende il nome dall'evento, il Maestro del 1336, vi affrescò l'immagine della Vergine con il Bambino in braccio proprio come era apparsa alla giovinetta malata. Un secolo dopo al posto dell'oratorio venne edificata una chiesa che fu detta della Madonna delle Grazie o del Letto perché in una delle cappelle aperte sulla parete sinistra venne custodito il letto della miracolosa apparizione. La chiesa, sobria ed allo stesso tempo elegante, ha il fronte aperto da un semplice portale cui fanno da cornice le candelabre scolpite sugli stipiti e il lunettone con al centro lo stemma del Comune di Pistoia. Si tratta di un un bell'esempio di architettura rinascimentale  del grande architetto fiorentino Michelozzo. Nonostante sia sconosciuto il progettista è noto l'impegno economico sostenuto dal comune per far bello il santuario verso cui i pistoiesi hanno sempre mostrato un particolare affetto. E'invece sicuro che alla sua costruzione partecipò l'architetto pistoiese Ventura Vitoni la cui presenza nei maggiori cantieri cittadini dell'ultimo Quattrocento sembra oramai indubbia.

L'interno, ad una sola navata coperta da un bel soffitto a cassettoni, termina nell'imponente coro che appare quasi un edificio a sé stante tanto da richiamare la pianta centrale propria delle chiese dedicate alla Madonna, come nella basilica della Madonna dell'Umiltà. L'altare maggiore conserva l'affresco trecentesco eseguito in occasione del miracolo e traslatovi una volta ultimata la chiesa. La porzione del coro che conserva integro il suo aspetto rinascimentale rimanda con chiarezza all'edificio che dovette ispirare la chiesa: la brunelleschiana cappella Pazzi di Santa Croce a Firenze. A lato di S. Maria delle Grazie sorse un monastero affidato ad una comunità di monache soggette alla regola di sant'Agostino.
L'intero complesso religioso venne soppresso alla fine del XVIII secolo per ordine del vescovo Scipione de' Ricci ed incorporato tra i beni dell'Ospedale del Ceppo. La chiesa è tornata ad esercitare le funzioni parrocchiali intorno alla metà del secolo scorso.