Il convento di San Marco deve il suo aspetto attuale alla ristrutturazione di un precedente convento medievale effettuata dall'architetto Michelozzo, su commissione di Cosimo il Vecchio, tra il 1436 e il 1446. Demanializzato nel 1866, divenne, tre anni dopo, sede del Museo che ospita, tra i tanti capolavori, il celeberrimo ciclo di affreschi del Beato Angelico e la maggior parte delle sue opere su tavola.

Benché rilevante soprattutto dal punto di vista storico artistico, il Museo presenta numerosi elementi di interesse scientifico: tra le stesse opere dell'Angelico, è doveroso citare i dipinti conservati nell'Ospizio dei Pellegrini che raffigurano i due Santi medici Cosma e Damiano, facilmente riconoscibili per la tonaca e il cappello rosso e la scatola tonda dei medicinali. Esemplare, tra questi, è la tavola della Guarigione del diacono Giustiniano in cui i santi sono rappresentati nell'atto di trapiantare la gamba di un "moro" al posto di quella ammalata del diacono. Di estremo interesse per le discipline geografiche è, invece, la Pala di San Marco, realizzata tra il 1438 e il 1440: in essa, tra le mani del bambin Gesù, è raffigurato un globo terrestre con quello che moderni studiosi di cartografia antica hanno interpretato come un accenno alle terre emerse allora conosciute.

Sulla parete destra del corridoio che mette in comunicazione il chiostro di Sant'Antonino con la scala che conduce al piano superiore, il visitatore potrà osservare un ciclo di quattro dipinti di Jacopo Vignali, eseguiti in occasione della pestilenza del 1622-23 e destinati alla Spezieria del convento. In queste tele è raffigurato il tema della malattia e della cura del corpo e dello spirito. Sulla parete opposta, si trova, invece il Miracolo di San Paolo, opera seicentesca di Giovanni Bilivert, che presenta un'interessante curiosità: uno dei personaggi secondari indossa, infatti, un paio di occhiali poggiati sul naso, oggetto già molto diffuso nel Cinquecento e raffigurato in opere d'arte solitamente in quanto simbolo di sapienza e scienza.

Ma il legame con la scienza si fa ancora più forte al piano superiore del convento, dove, oltre alla cella di Cosimo con l'affresco dell'Adorazione dei Magi, in cui è rappresentato un personaggio con una sfera armillare in mano, si trova la monumentale Biblioteca di Michelozzo. Prima biblioteca pubblica del Rinascimento, nacque per ospitare i libri dell'umanista Niccolò Niccoli, a cui si aggiunsero, per volere di Cosimo il Vecchio, i testi più importanti del sapere teologico, giuridico e scientifico medievale. Nei secoli successivi, l’importanza della biblioteca, continuamente arricchita di nuovi volumi, è stata testimoniata dal matematico e filosofo Gottfried Wilhelm von Leibniz, che nel 1689 riuscì a consultarvi un testo di logica matematica (il Liber calculationum di Richard Swineshead), cercato invano altrove. I resti di una Rosa dei venti, incisa su uno strato di intonaco all'altezza della settima campata ovest della biblioteca, rimangono ad indicare al visitatore il luogo dove era collocata la collezione dei libri scientifici, come testimonia un catalogo cinquecentesco delle opere del convento.

Il complesso di San Marco è legato anche ad un episodio che coinvolse direttamente Galileo Galilei. Nel 1615, infatti, il domenicano Niccolò Lorini denunciò Galilei all’Inquisizione, inviando una copia della lettera in cui il matematico pisano difendeva la validità delle teorie copernicane. I Padri di San Marco accusarono Galileo di avere formulato affermazioni «sospette o temerarie».