È menzionata per la prima volta in un documento dell'anno 685 come basilica Longobardorum.
Ebbe importanza notevole a partire dalla seconda metà del XII secolo, quando divenne uno dei più importanti centri per la diffusione della riforma liturgica gregoriana.
Particolarmente suggestivo il mosaico della fine del XIII secolo posto sulla facciata, rarissimo nel romanico (in Toscana l'unica altra facciata decorata con un mosaico è quella del S. Miniato al Monte di Firenze). Raffigura il Cristo Redentore che ascende al cielo in una mandorla portata da due angeli. In mezzo agli Apostoli manca la figura della Vergine, tagliata via dalla finestra moderna. Lo stile dell'opera è dichiaratamente bizantino ed è riferibile alla Scuola lucchese dei Berlinghieri.
L'interno della chiesa è suddiviso in tre navate, ed è regolato da due magnifici colonnati ad archi uguali. Sui fianchi sorgono numerose cappelle gentilizie, edificate tra XIV e XVI secolo.
Da un punto di vista storico-artistico le cappelle più significative sono quella di S. Agostino, con gli affreschi del pittore emiliano Amico Aspertini (1474-1552), e quella della famiglia Tenta con il dossale d'altare e le lastre tombali opera dello scultore senese Jacopo della Quercia (1374 circa-1438).
Da segnalare poi lo splendido fonte battesimale del XII secolo, che si trova nello spazio adibito a battistero, a destra dell'entrata. I bellissimi rilievi raffigurano le Storie di Mosè, gli Apostoli e i Mesi, opere che vanno ascritte a maestri di scuola toscana e lombarda.
È dalla Basilica di San Frediano che ogni 13 settembre prende il via la suggestiva Luminara di Santa Croce
