La Chiesa di San Piero a Grado, esempio di arte romanica della fine del X secolo, pone le sue radici dove in passato erano presenti altre due chiese. 

Le due chiese più antiche, visibili dall'interno della chiesa grazie agli scavi archeologici, mostrano le diversi periodi di costruzione: le fondamenta di edifici portuali romani, il muro dell'abside della prima chiesa del IV secolo, e infine le absidi della seconda chiesa del VI-VII secolo.

Gli scavi, iniziati nel 1919-1920 e ripresi negli anni 1955-1965, hanno portato al rinvenimento dell'antico altare, poggiante sulla colonna, posta sotto il baldacchino, al centro della primitiva chiesa. Inoltre furono rinvenute parti delle colonne di sostegno dell'antico ciborio, di cui si possono ancora vedere i basamenti ed alcuni tronconi di marmo bianco a torciglione. Emerge sopratutto però l'importanza delle varie absidi, come sopra accennato, quella più antica dell'oratorio (IV sec.) (muro scuro) e quelle più chiare di epoca longobarda (VI e VII sec.).

La denominazione "a Grado" indica che la località era, in passato, un antico scalo portuale utilizzato in età etrusca e romana in quanto si trova vicino la foce dell' Arno.

La tradizione identifica la chiesa, dedicata al santo, con il luogo dello sbarco dell'apostolo Pietro nel suo viaggio da Antiochia a Roma avvenuto nel 42 d. C., e sostiene che qui Pietro abbia edificato il primo altare in terra italiana.

L'altare sarebbe stato consacrato poi da papa Clemente I al quale, al momento della consacrazione, sarebbero cadute dalle narici tre gocce di sangue sulla pietra marmorea che ancora si conserva, come preziosa reliquia, nel Museo della Primaziale Pisana.

La Basilica è costruita in stile romanico pisano con pietre locali come la pietra "verrucana". Le colonne provengono da edifici romani preesistenti, come pure i capitelli di vario stile, corinzi, dorici, a foglie d'acqua e perfino uno siriano. La serie degli archi mostra le due fasi della costruzione della chiesa: prima quella verso oriente con gli archi più piccoli, poi la continuazioneverso il mare con gli archi più grandi.

In origine la Basilica aveva la facciata ad occidente e le tre absidi ad oriente, ma nel XII secolo la chiesa subì delle modifiche dovute probabilmente al crollo della facciata danneggiata dalle inondazioni. 

L'aspetto odierno della chiesa presenta le tre absidi contrapposte, in quanto nella facciata è stata aggiunta un'altra abside.

All'interno la chiesa custodisce degli affreschi datati tra fine del 1200 e inizio del 1300; purtroppo alcune parti nel tempo sono state danneggiate e non sono più visibili. L'autore degli affreschi fu Deodato Orlandi, un pittore lucchese, che in quei tempi lavorava a Pisa. Negli affreschi vengono rappresentate scene della vita di san Pietro dalla chiamata di Gesù ad alcuni episodi degli Atti degli Apostoli, come il martirio insieme a quello di san Paolo, la sepoltura. Questo ciclo di affreschi sembra sia la copia degli affreschi presenti nell'atrio della vecchia basilica di S. Pietro in Vaticano (purtroppo demolita).