Legata alla casa per lebbrosi di Cellole è la luminosa figura di san Bartolo (Bartolomeo) Buompedoni da San Gimignano (1228-1300).

Abbandonata la casa paterna, il giovane Bartolo entrò nel convento benedettino di San Vito a Pisa, ove si legò di filiale devozione a un santo vecchio monaco, di nome Paolo ; questi lo presentò all'abate del suo monastero, che accolse il giovane e gli affidò la cura degli infermi. Benvoluto dai monaci, Bartolo si disponeva a prendere l'abito benedettino, quando, in seguito a un'apparizione, decise di entrare invece nel terz'ordine francescano a Volterra.

In seguito ordinato presbitero, Bartolo all'età di circa cinquant'anni si ammalò di lebbra.

Deciso nel servire Dio attraverso il conforto dei lebbrosi, soffrendo con loro e come loro, Bartolo va a vivere, insieme al discepolo san Vivaldo, nel luogo che accoglie i suoi compagni di disgrazia respinti dalla società, il lebbrosario di Cellole, e lì trascorre gli ultimi vent'anni della sua vita, assumendo dal 1293 la carica di rettore della pieve.

Isolato, ma presto conosciutissimo, da tutti viene subito chiamato "il Giobbe della Toscana" per il suo modo straordinario di vivere la sofferenza legata alla sua malattia. Le spoglie di Bartolo sono conservate nella chiesa di Sant'Agostino in una cappella monumentale fatta erigere dal comune di San Gimignano e compiuta fra il 1488 e il 1494 da Giuliano e Benedetto da Maiano, autore quest'ultimo dei ricchi bassorilievi raffiguranti alcuni episodi salienti dell'agiografia del santo.

Il culto di Bartolo, sempre vivo in San Gimignano e riconosciuto nel 1523, fu confermato da Pio X nel 1906.

Dell'esistenza di un edificio pievano adibito a ospizio per lebbrosi e pellegrini si hanno dunque notizie antiche. Se però l'evidenza dell'impianto basilicale della chiesa e i suoi elementi tipologici chiaramente riferibili a uno stile romanico d'impronta pisana/volterrana non lasciano dubbi sulla sua origine, per gli altri edifici pievani tale antichità non è così evidente né attestata dalle fonti storiche. Si deve infatti supporre che fra la fine del 1700 e la fine del 1800 la pieve e gli edifici ad essa collegati siano stati profondamente trasformati.

La chiesa stessa sembra avere subito rilevanti trasformazioni: l'abbattimento del campanile, portato al centro dell'attuale canonica (1879), e l'esaltazione dei "primitivi" caratteri romanici attraverso la distruzione degli altari barocchi che nel XVIII secolo si erano sovrapposti a quelli romanici originali e al completo rifacimento del tetto (1920).

Gli ultimi interventi di restauro e di consolidamento della chiesa sono stati effettuati negli anni 1980, quando si è provveduto anche alla ripavimentazione.