Esternamente l'edificio si presenta con una facciata a capanna, sulla quale si apre una porta d'ingresso ed una finestra dalle linee settecentesche, posta entro una cornice circolare che segna probabilmente il perimetro di un ampio precedente rosone poi occluso. Costruita con piccole e regolari bozze di alberese con inserzioni di serpentino, la chiesa è conclusa da una scarsella rettangolare sulla quale si erge il poderoso campanile. L'interno presenta l'aspetto che gli fu dato nel XVIII secolo e costituisce un interessante e prezioso esempio di decorazione di gusto "rococò", avvertibile in modo particolare nei capitelli dei pilastri che dividono la navata centrale dalle due laterali, negli archi che si aprono nella pareti perimetrali e nell'altare maggiore, tutti elementi dotati di decorazioni eleganti e leggere. Di rimarchevole importanza è anche l'organo, risalente al quarto decennio del Settecento, realizzato dall'organaro pistoiese Pomposi, la cui cantoria in legno intagliato fu eseguita da Francesco Nardini da Barberino, al quale spettano anche i bei confessionali ed i mobili della sacrestia (Niccolai, Becattini-Granchi, 1985). L'arredo della chiesa è dotato anche di dipinti realizzati dal pittore Gaetano Neri, mentre un ulteriore dipinto raffigurante la SS. Annunziata spetta a Cinzio Botti.

La pieve di San Gavino costituisce quindi una valida testimonianza di due differenti, e cronologicamente distanti, fasi dell'arte fiorentina: le strutture esterne ed il campanile risalgono malgrado le varie fasi di rifacimenti, ad epoca medievale (la critica ha, fra l'altro, evidenziato come la struttura della chiesa richiami quella della non lontana pieve di sant'Agata), mentre l'interno rappresenta un valido episodio di elegante arte settecentesca.