La chiesa di Santa Maria della Spina è considerata un autentico gioiello dell'arte gotica italiana. Il nome, che le fu dato nel 1333, deriva dalla spina delle corona di Cristo, che un mercante pisano portò a Pisa al suo ritorno dalla Terra Santa, collocandola nella chiesa.

Nella sua collocazione originaria, la chiesa di Santa Maria de Pontenovo (così si è chiamata nel suo primo secolo di vita) si posizionava in prossimità di un ponte, il Pontenovo, distrutto nel XV secolo e mai più ricostruito. Era un piccolo oratorio fino a quando, nel 1322, iniziarono i lavori di ampliamento diretti da Lupo di Francesco. La chiesa è attualmente sita sul Lungarno Gambacorti, ma all'epoca della sua costruzione, nel 1230, sorgeva sulla riva destra dell'Arno. Nell'Ottocento fu smontata e trasferita per evitare che potesse essere danneggiata dalle frequenti alluvioni del fiume, sorte che nel secolo successivo toccò invece a numerosi edifici antichi. Si decise anche di sostituire le statue originali con delle copie. Purtroppo, così facendo i pisani privarono la costruzione della sua antica sagrestia, che venne invece distrutta alterando per sempre la struttura del complesso.
La facciata della chiesa è divisa in due parti perfettamente simmetriche, con due portali sormontati da due archi e due timpani. Al centro c'è un tabernacolo sul quale poggia la copia della "Madonna con Bambino" di Giovanni Pisano. L'originale è esposta al Museo di San Matteo. La copertura è arricchita di cuspidi, guglie e pinnacoli, come vuole la tradizione gotica. Numerose statue decorano le alte guglie piramidali che dominano la parte superiore, a sua volta arricchita da due rosoni e intarsi marmorei. Molti artisti sembrano essersi avvicendati nell'opera di abbellimento della facciata, tra i quali Nino, Andrea e Giovanni Pisano, Lupo di Francesco e Giovanni di Balduccio.
A differenza della ricchezza e ricercatezza decorativa della sua parte esteriore, la chiesa si presenta piuttosto spoglia al suo interno. Gran parte del suo arredo mobile è andato perso nel tempo e ciò che ne rimaneva fu precauzionalmente spostato al Museo di San Matteo e nella chiesa di Santa Chiara. L'edificio è a pianta rettangolare e ospita comunque al suo interno un'altra "Madonna con Bambino", di Andrea e Nino Pisano, nota anche con il nome di "Madonna della Rosa". Realizzata tra il 1345 e il 1348 conserva ancora in parte la colorazione e la doratura originarie ed è considerata uno dei massimi esempi di scultura gotica. La venerata reliquia della spina è conservata in un tabernacolo murato sulla parte sinistra.