L’edificio occupa la parte orientale di piazza dei Cavalieri. Ha un ruolo complementare a quello del Palazzo della Carovana, visto che lo schema compositivo delle due facciate è analogo. Molti studiosi ne attribuiscono il disegno originario a Giorgio Vasari.

La costruzione del Palazzo, avvenuta sotto la supervisione di David Fortini, iniziò nel 1566 secondo un’idea progettuale che mirava a riunire in un unico corpo alcune strutture preesistenti. La planimetria era ispirata a quella dei conventi e prevedeva un duplice loggiato e tredici unità abitative indipendenti fra loro e articolate su tre piani.
I lavori, realizzati a più riprese, durano quasi quarant’anni, spesso interrotti dall’impiego delle risorse economiche nella costruzione della Chiesa di Santo Stefano.

La Canonica era destinata al clero dell’Ordine dei Cavalieri di Santo Stefano, istituzione militare e monastica fondata nel 1561 dal Granduca di Toscana, Cosimo I dei  Medici, per raccogliere sotto le insegne granducali la gloriosa eredità marinara dell’antica Repubblica Pisana e combattere le scorrerie di Turchi e infedeli sul Mediterraneo. Nella Canonica abitarono fino alla soppressione dell’Ordine il priore della adiacente Chiesa dei Cavalieri e i cavalieri cappellani; negli ultimi decenni del Novecento la struttura ha ospitato alti prelati e poi il Genio Civile pisano, la cui iniziativa ha portato al restauro della parte dell’edificio tra via Ulisse Dini e l’ingresso principale all’inizio degli anni Ottanta.

Attualmente ospita il Laboratorio per l’Analisi, la Ricerca, la Tutela, la Tecnologia e l’Economia del patrimonio culturale della Scuola Normale Superiore, diretto dallo storico dell’arte e dell’archeologia classica Salvatore Settis. Sono presenti, inoltre, alcuni distaccamenti del ministero dei trasporti e delle infrastrutture e del genio civile. E’ destinata ad ospitare parte del patrimonio librario della Normale.