In quest'area sorgeva già nell'VIII secolo una chiesa intitolata a S. Giorgio poi ristrutturata nell'XI secolo e dedicata a S. Antonio, dove nel 1261 vennero scoperte le ossa di S. Paolino, secondo la tradizione, primo vescovo della città. All'inizio del XVI secolo, in seguito al grande culto generato dalle reliquie e alla demolizione della chiesa di S. Donato per far posto alle nuove mura, la Repubblica di Lucca decise di edificare qui un tempio da dedicare ai due santi.
I lavori, cominciati nel 1515 sotto la direzione di Braccio da Montelupo, terminarono nel 1536 regalandoci l'unica chiesa puramente rinascimentale della città: la facciata bianca, improntata ad un verticalismo sobrio e geometrico, con i suoi tre ordini sovrapposti e divisi da cornici rette da lesene, termina in alto con un timpano classico; la parete è animata da un portale con ai lati due nicchie, riempite nel 1710 con le statue dei due santi, da tre finestre al secondo livello e da un oculo al terzo.
Sopra il portale si trova un iscrizione che ricorda il miracolo compiuto dal santo il 12 luglio 1664, quando durante i festeggiamenti per sbaglio partì un colpo di cannone verso la folla che incredibilmente rimase illesa grazie all'intervento di S. Paolino.
La chiesa è ad aula unica coperta con volta a botte con cappelle laterali e transetto, raccordato all'abside a pianta rettangolare da una bassa cupola. Lo spazio interno, diviso in due livelli da una cornice, è scandito da lesene e illuminato da finestre rettangolari sormontate da timpani. L'abside con la sua volta a botte è interamente affrescata con scene raffiguranti S. Paolino, realizzate tra la fine del XVII secolo e l'inizio del successivo da Filippo Gherardi e da Fra' Stefano Cassiani, detto il Certosino.
Dietro l'altare si trova il sarcofago paleocristiano (IV -V secolo) in cui furono rinvenuti i resti del santo e l'urna dove sono conservati fin dal XIII secolo. In tutta la chiesa si possono ammirare opere dei più celebri artisti che lavorarono a Lucca tra il XVI e il XVII secolo tra cui spiccano le opere di Girolamo Scaglia, Agostino Marti, Paolo Guidotti e Giovan Domenico Lombardi oltre a due sculture ligne policrome del XIV secolo, un crocifisso di origine nordeuropea e una statua di S. Paolino.
