La pieve fu costruita presso la via Cassia Vetus alla fine del XII secolo. Il portico in facciata, aggiunto nel XV secolo, introduce a un interno scandito da tre navate con archi poggianti su colonne con capitelli scolpiti. L’aspetto attuale è frutto di un restauro degli anni sessanta del Novecento che ha rimosso le aggiunte dei secoli precedenti, tra cui gli altari laterali del XV e XVI secolo. Molti dei dipinti che ornavano questi altari sono oggi esposti al museo. In chiesa si conservano ancora alcune opere, tra cui l’affresco staccato con l’Annunciazione attribuito a Mariotto di Cristofano del secondo decennio del Quattrocento e la tela seicentesca con la Madonna col Bambino e i Santi Giovanni Evangelista e Rocco (?), restaurata di recente. Al Trittico di San Giovenale di Masaccio è dedicata un’intera sala del museo, corredata di supporti didattici e documentari. È questa la prima opera sicuramente attribuita al grande pittore valdarnese (1401-1428), proveniente dalla piccola chiesa omonima, non lontana dalla pieve di Cascia, e datata 23 aprile 1422 secondo l’iscrizione ai piedi della tavola. Al centro si trova la Madonna col Bambino e due angeli, con a sinistra san Bartolomeo e san Biagio e a destra san Giovenale e sant’Antonio Abate. Qui Masaccio già mostra un distacco dagli elementi del gotico internazionale ed inserisce un precoce uso della prospettiva: tutto lo spazio, anche quello dei pannelli laterali, è unito da un unico punto di fuga centrale che si concentra sulla figura della Vergine. Il Museo raccoglie anche dipinti, oggetti liturgici e una ricca serie di parati da messa; inoltre un interessante gruppo di icone russe del XVII-XX secolo e alcuni oggetti d’uso per cerimonie ebraiche, raccolti dal pievano don Ottavio Failli. Tra le opere realizzate per la pieve di Cascia possiamo vedere la Madonna col Bambino, i Santi Romolo, Pietro, Paolo, Sebastiano e il committente Roberto Folchi vescovo di Fiesole, opera della bottega del Ghirlandaio; la Madonna col Bambino e i Santi Michele Arcangelo e Sebastiano datata 1575 e firmata da Agnolo Guidotti; l’Annunciazione con la firma “Bronzino”, ma riferibile ad Alessandro Allori (1535-1607). Del Compianto sul Cristo morto di Santi di Tito (1536-1603) non si conosce invece la collocazione originaria. Fa parte del percorso la cosiddetta “Camera del pievano”, una piccola sala dalle pareti decorate da affreschi di vedute immaginarie e reali, come quella della pieve di Cascia.