Церковь святого Гроба Господня расположена на одноименной площади примерно в километре на юго-восток от площади Чудес. Построена эта церковь в 12 веке как часть монастырского комплекса ордена мальтийских госпитальеров. В 1817 году, когда орден был распущен, церковь на время была заброшена и не получала соответствующего ухода, но в 1849 году здесь была проведена реставрация, которая ко всему прочему позволила открыть оригинальное покрытие. Для того чтобы вернуть зданию его средневековый облик, реставраторам пришлось удалить пристройки времен ренессанса, барочные украшения и размуровать свод и некоторые окна.
Архитектором церкви Гроба Господня считается Диотисалви, который также возвел пизанский баптистерий и учувствовал в строительстве собора. Хотя церковь не представляет столь грандиозных форм и развитого романского декора, как в знаменитых монументах площади Чудес, ее архитектура весьма любопытна. Основу здания составляет центральный зал, ограниченный восьмью пятиугольными опорами, которые поддерживают на стрельчатых арках каменный барабан с окошками. Венчает здание пирамидальный кирпичный купол. Центральное здание обнесено дополнительной галереей с восьмью колоннами, поверх которой идет стена с карнизом, декорированным рельефами с растительными мотивами. Несмотря на то, что здание в нынешнем его виде, скорее всего, было построено не сразу, а за несколько конструктивных фаз, во всей его структуре просматривается четкий план – как в общем архитектурном рисунке, так и в положении каменных блоков.
Справа от основного входа находится колодец, отгороженный решеткой. По легенде здесь черпала воду покровительница ордена мальтийских госпитальеров святая Убальдеска, скульптурный бюст которой также можно видеть в церкви (15 век). Стоит обратить внимание на картину «Богоматерь с Младенцем» 14 века. Здесь расположена также могильная плита фаворитки короля Франции Людовика XIV Марии Мачини.
Необычная архитектура церкви объясняется тем, что она была построена во времена Первого крестового похода. Интерьер воспроизводит иерусалимскую базилику Гроба Господня, а восьмиугольная структура происходит от желания повторить форму мечети Скалы в Иерусалиме, которая в средние века считалась храмом Соломона.
