E' probabile che il toponimo abbia iniziato ad indicare una piccola realtà insediativa solo dopo l'acquisizione nel patrimonio di Marturi e che il suo sviluppo in un villaggio si collochi nella metà del XIII secolo, periodo in cui dovette anche essere eretta la chiesa. Numerose particelle fondiarie poste all'interno delle pertinenze del villaggio di Gavignano sono censite poi nell'estimo redatto nel 1318.
La chiesa, faceva parte del piviere di Sant'Appiano, nella diocesi medievale di Firenze; è documentata per la prima volta nei Decimari di fine del XIII secolo (1276-1277; 1302-1303).

Anche nel 1221, in occasione del giuramento degli uomini di Gavignano in favore dei Senesi a Poggiobonizzio, non è fatta menzione del popolo della parrocchia rurale, indicato invece nella sottomissione al Podestà di Poggibonsi del 1323.
La chiesa ha conservato la struttura romanica. E’ una piccola aula originariamente conclusa da un’abside semicircolare, di cui si nota oggi la tamponatura dell’arco nella parete terminale.
La facciata presenta un portale con stipiti costituiti da due conci di arenaria, disposti in senso longitudinale e due conci in senso orizzontale.
L’arco a tutto sesto del portale, che racchiude la lunetta monolitica, ha l’estradosso impostato sull’architrave, soluzione insolita nel romanico toscano rurale. Al di sopra del portale è una finestra bifora rifatta negli archivolti ma che conserva l’originale capitello decorato con una rosetta. La colonnina è invece di restauro.
Un campanile a vela a due luci, di epoca moderna si imposta sulla pendenza destra della facciata, la cui parte superiore è frutto di un rimontaggio. Anche le pareti laterali conservano il regolare paramento murario, formato da conci di arenaria accuratamente squadrati e spianati.