Vaste, la basilique, dont la façade est inachevée, affiche une sobriété toute franciscaine. À l'intérieur, l'attention est très vite attirée par la Cappella Bacci, derrière l'autel, où Piero della Francesca a laissé l'un des plus beaux témoignages de la peinture toscane de la Renaissance : des fresques illustrant la Légende de la Vraie Croix. Ces dix scènes peintes entre 1452 et 1466 justifient à elles seules la visite de l'église qui compte aussi un remarquable vitrail de Guillaume de Marcillat.