Poco all'interno rispetto al Lungarno Galilei, la chiesa del Santo Sepolcro sorge sulla piazza omonima. Su progetto del Diotisalvi, l’edificio fu costruito nel XII secolo per l’Ordine degli Ospedalieri di San Giovanni. In effetti, i Pisani, dopo aver partecipato alla prima crociata, vollero fondare nel 1112 un complesso che fosse chiesa, convento, albergo, ospedale, sul modello di un’analoga costruzione vista a Gerusalemme, forse la Moschea di Homar, che i cristiani di Gerusalemme chiamavano Templum Domini.
Ne uscì una singolare costruzione a pianta ottagona. L’edificio si presenta con un giro di doppie finestre superiori, più portali di ingresso e con un’alta cupola piramidale. Fino alla metà dell’Ottocento, la chiesa era circondata da un porticato, poi abbattuto. Il campanile, a forma di parallelepipedo, presenta una base in pietra verrucana e la parte superiore in mattone: su di esso spicca la firma del Diotisalvi.
L’interno è caratterizzato da un tiburio centrale di otto pilastri, equidistanti uno dall'altro, dai quali partono altrettanti archi che terminano al vertice con la cupola. La chiesa conserva alcune lastre tombali di nobili pisani e - in una nicchia - un dipinto quattrocentesco raffigurante la Madonna, della scuola di Benozzo Gozzoli.
