Le projet de Bernardo Buontalenti pour la nouvelle ville de Livourne était prédominant dans les travaux de nature militaire et ceux liés au développement des structures portuaires. Cependant, à la fin du XVIe siècle, on commença à doter Livourne d’un nouveau lieu de rassemblement et d’une «nouvelle église» qui fermait un côté de la place.
Les travaux étaient initialement basés sur le plan de Buontalenti, mais celui-ci a rapidement subi des modifications. Entre la fin du XVIe siècle et les débuts du XVIIe siècle, les travaux de construction de l'église se poursuivent sous la direction d'Alessandro Pieroni et Antonio Cantagallina. Dans la première décennie du XVIIe siècle, l'église est consacrée et dédiée à Saint François.
La piazza et l'église ont été sérieusement endommagées en 1944 lors des bombardements et ont été reconstruites immédiatement après la guerre: la piazza a conservé très peu de son ordre antérieur mais l'église a été reconstruite selon la structure et les meubles d'origine. Le clocher, commencé en 1817 en remplacement de l'ancien clocher en pignon, a également été bombardé et reconstruit dans les années 1950.
Le plan de l'église est en forme de croix latine avec l'ajout de deux chapelles latérales: le Saint-Sacrement, sur lequel le travail a commencé en 1716 à la conception de Giovanni del Fantasia; et la chapelle de la Vierge, 1727, qui disposait à l’origine d’un plafond en bois sculpté et doré de très grande valeur, réalisée entre 1610 et 1614. Les sept tableaux placés à l’intérieur du plafond ont été préservés des attentats et réinstallés dans une structure plus simple, qui restitue toutefois la division espace. Entre 1619 et 1623, Jacopo Ligozzi, Domenico Cresti (Passignano) et Jacopo Chimenti (Empoli) ont peint trois grands tableaux représentant saint François recevant l'enfant du Christ de la Vierge, l'Assomption de la Madone et le Triomphe de Sainte Julia. Ils furent également chargés de peindre quatre petites toiles représentant des saints liés à la ville, à la famille Granducal ou à la cathédrale elle-même: Saints Cosmas et Damian, Saint Laurent et Saint-Sextus le pape, La gloire de Saint Sébastien, L'Assomption de Sainte-Vigile. Sur les murs du transept se trouvent deux lofts en marbre soutenus par quatre corbeaux en marbre, qui ont été reconstruits avec des ajouts de stuc.
L'abside a été modifiée pendant les travaux de reconstruction d'après-guerre et possède un autel au centre, composé de différents types de marbre, également réalisés selon le modèle d'origine. Le choeur en bois de 1604 a été transféré à l'église de Santa Caterina en 1763. Dans la chapelle du baptistère, construite en 1756, se trouvent des fonts baptismaux portant le blason de Biagio Pignatta, ami et conseiller de Ferdinando I. Sa générosité a chaire et le dernier autel sur le mur de gauche, reconstruit en utilisant les matériaux d'origine; le tableau représentant la Vierge à la gloire avec les saints Grégoire, Benoît, Étienne et François a été peint pour cet autel et est attribué au siennois Pietro Sorri.
En face de lui se trouve l’autel placé par Bernardo Borromei, le premier gonfalonier stipendiaire de la ville, pour lequel l’Assomption de la Vierge a été peinte, également attribuée à Sorri. Sur le mur de droite de la nef se trouve la toile de Francesco Curradi représentant le Crucifix avec des anges et des saints Thérèse d'Avila, Francis Xavier, Isidore le serviteur de la ferme, Ignace de Loyola et Philip Neri, datant d'environ 1622. Il s'agit d'un travail hautement dévotionnel en commémoration de l'activité des personnalités de la Contre-réforme. Les œuvres du livornais Tommaso Gazzarrini, qui a peint trois tableaux pour la chapelle de la Madone, sont très intéressantes: la Sainte Famille repose pendant la fuite en Égypte, L'Institution de l'Eucharistie et Jésus apparaissent à Sainte Marguerite Alacoque. En 1834, il peint aussi la traduction du corps de sainte Julia à Brescia, située à gauche de l'autel principal. Ci-contre, l'épisode de saint François ressuscitant un noyé à Narni, peint en 1832 par Giuseppe Bezzuoli.
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