La chiesa di San Domenico fu fondata insieme al convento annesso dai Frati Domenicani pochi anni dopo la morte del Santo e completata nel 1238.
L'edificio a tre navate con absidi quadrate fu ampliato nel XIV secolo con l'aggiunta della Cappella Pepoli e nel XVI con la Cappella Ghisilardi. Tra il 1727 ed il 1733 Carlo Francesco Dotti restaurò l'intero edificio apportando alcuni cambiamenti e all'inizio del XX secolo numerosi interventi conferirono alla chiesa l'aspetto attuale.
Nella Cappella di San Domenico che si apre nella navata destra si trova la tomba del Santo, morto a Bologna nel 1221.

Arca di San Domenico
Il monumento funebre di San Domenico era in origine un'urna realizzata da Nicola Pisano in collaborazione con gli allievi Arnolfo di Cambio, Pagno di Lapo e frà Guglielmo, decorata con rilievi che raffigurano vari momenti della vita del Santo.
Per arricchire il monumento nel 1473 fu aggiunta la cimasa marmorea scolpita da Niccolò di Bari che proprio per quest'opera fu poi detto Niccolò dell'Arca. La cimasa fu completata con statue del giovane Michelangelo (San Procolo e San Petronio) e di Girolamo Castellini (San Giovanni Battista) nei decenni successivi.
Il sarcofago fu collocato su un gradino marmoreo, la "stele" di Alfonso Lombardi (1532) i cui rilievi rappresentano L'adorazione dei Magi e altre storie della vita di Domenico di Guzman.
L'attuale cappella fu realizzata nel XVII secolo.

Altre opere d'arte
Santa Rosa da Lima di Cesare Gennari
San Vincenzo Ferreri risuscita un fanciullo di Donato Creti
S. Antonino e l'apparizione della Vergine e di Cristo a San Francesco di Pietro Faccini
Sant'Andrea adora la croce del suo martirio di Antonio Rossi
Reliquiario del capo di San Domenico di Jacopo Roseto
Virtù teologali e cardinali statue in terracotta di Giovanni Tedeschi
Apoteosi di San Domenico di Guido Reni
Angeli Musicanti di Clemente Alberi
Salvataggio di naviganti per opera di San Domenico del Mastelletta
Il miracolo di Napoleone Orsini del Mastelletta
San Pio V davanti al Crocifisso di Felice Torelli
San Tommaso d'Aquino del Guercino
Pietà gruppo in terracotta di Sebastiano Sarti
Epifania di Bartolomeo Cesi
Ss. Nicola e Domenico di Bartolomeo Cesi
Miracoli di San Domenico di Vincenzo Spisanelli
Sposalizio di Santa Caterina e i Ss. Giovanni Battista, Pietro, Paolo e Sebastiano di Filippo Lippi
Transito della Madonna di Vincenzo Spisanelli
Deposizione di Pier Francesco Covazza
Memoria di Re Enzo di Giuseppe Mazza
Crocifisso di Giunta Pisano
Disputa di Santa Caterina affresco di Prospero Fontana
Annunciazione di Denijs Calvaert
Assunzione di Benedetto XI di Felice Torelli
San Raimondo di Panefort che solca il mare sul proprio mantello di Ludovico Carracci

Opere custodite nell'annesso Museo
Busto di San Domenico terracotta di Niccolò dell'Arca
Madonna col Bambino detta del Velluto di Lippo di Dalmasio
Madonna di Giovanni Francesco da Rimini
La carità affresco staccato di Ludovico Carracci
San Francesco affresco staccato di Ludovico Carracci
La beata Diana d'Andalò di Prospero Fontana
Madonna del Rosario con i Ss. Domenico e Vincenzo Ferreri di Ubaldo Gandolfi