La chiesa, ricordata per la prima volta nel 893, fu donata nel 1057-58 da papa Stefano IX al vescovo di Lucca Anselmo da Baggio che vi trasferì le reliquie del santo e, una volta eletto papa scelse proprio il il nome di Alessandro II. In questa occasione l'edificio fu ampliato, fino alle dimensioni attuali. Nella facciata in calcare bianco si distingue in basso la parte più antica, realizzata alternando filari di blocchi più grandi a filari di blocchi più piccoli, tutti perfettamente lisciati e levigati che si incastrano perfettamente secondo una tecnica costruttiva dell'architettura antica.
Il portale sormontato da un timpano le cui decorazioni classiche rimandano ai monumenti romani, costituisce l'asse su cui si dispongono simmetricamente le fasce di pietra. La parte alta della facciata, risalente alla seconda metà dell'XI secolo è delimitata da una cornice marcapiano e due lesene angolari e presenta al centro una bifora sotto la quale in origine si trovava la statua del santo, ora al museo della Cattedrale. L'abside, unica parte della chiesa in cui gli elementi decorativi si staccano dalla muratura, denota come i lavori siano stati ultimati solo nella seconda metà del XII secolo.
L'interno privo di transetto, a tre navate con abside, mostra, come la facciata, le due fasi costruttive dell'edificio attuale: a quella più antica appartengono le prime sei arcate rette da colonne provenienti da edifici antichi tra le quali spiccano le due gemelle a pianta ovale in granito rosso egiziano, di probabile origine mediorientale; tra i capitelli, tutti di gusto classico e privi di qualsiasi influsso bizantino o nordico, si segnalano quello con figure legate al culto di Iside e uno con la rappresentazione delle stagioni, purtroppo acefale.
La coerenza della progettazione dell'edificio, il complesso simbolismo degli elementi architettonici, la tecnica costruttiva impiegata nella facciata, nei muri laterali e nell'interno non hanno uguali nelle altre chiese romaniche e rimandano direttamente ai grandi monumenti della tarda antichità. Tutti questi elementi hanno portato alcuni studiosi a ritenere l'edificio più antico realizzato prima del Mille e a porre il problema delle maestranze: vennero da fuori, forse da Roma, oppure a Lucca si era conservata una tradizione architettonica classica fino alla fine dell'alto Medioevo?
All'interno due figure scolpite in alto alla fine della cornice marcapiano, segnalano dove finiva la prima chiesa e dove comincia l'ampliamento di metà XI-XII secolo, caratterizzato da un presbiterio rialzato per ospitare la cripta, interrata nel XVI secolo, e da colonne con capitelli derivati dalla scuola di Biduino. Questa importante chiesa ospitò nel XIII secolo il tribunale dei Foretani, che si occupava di risolvere le controversie tra cittadini lucchesi e gli abitanti della campagna limitrofa.
