L'abbatiale, de 71 m de long sur 21 m de large, comporte 16 piliers, est en croix latine et à trois nefs, à deux travées à plan rectangulaire, avec une abside carrée (obéissant à la symbolique cistercienne du carré) ; elle fut construite en contrebas de la colline à partir de 1220, consacrée en 1268, au début de l'ère gothique en Toscane. L'église est bâtie pour partie en briques et en travertin. Celles qui s'ouvrent sur les six premières travées de la nef sont d'un seul tenant, mais celles illuminant les deux dernières travées de la nef, les deux travées de chaque transept et le chœur sont chacune surmontées d'un oculus. La petite fondation est rapidement constituée en abbaye fille de Casamari, et s'accroît au cours du xiiie siècle, notamment au détriment d'abbayes bénédictines voisines. Elle acquiert des possessions dans les villes de la région, en particulier à San Gimignano et à Sienne. Un certain nombre de moines du monastère sont nommés évêques, voire déclarés saints après leur mort. La République de Sienne s'érige en outre en protectrice de l'abbaye. Le cartulaire de San Galgano est d'ailleurs déposé en 1322, signé par dix-neuf notaires, dans cette dernière ville. Prolifique, San Galgano fonde à son tour quatre abbayes-filles en Toscane : Monte Faeta en 1233, Settimo en 1236, Verruca en 1263 et Quarto en 1337. Une cappellina attenante à la rotonde, construite en 1340, comporte plusieurs fresques d'Ambrogio Lorenzetti sur la vie du saint, certaines esquissées seulement. La prospérité cesse à la fin du xive siècle : l'abbaye est deux fois ravagée par les raids de John Hawkwood. La commende fait son apparition au xve siècle, et est généralisée sous le pontificat de Jules II ; comme dans l'immense majorité des abbayes régies par ce système, les abbés commendataires ruinent San Galgano. Ils se montrent particulièrement avides, l'un deux, Giovanni Andrea Vitelli, allant jusqu'à vendre le plomb de la toiture de l'église en 1548, accélérant sa ruine.