La basilica di San Francesco è tra le più importanti chiese di Siena, situata in piazza San Francesco. Eretta nel XIII secolo in stile romanico fu ingrandita nei due secoli successivi nell'immensa struttura gotica attuale. Conserva al suo interno la pisside con le Sacre Particole.

I francescani arrivarono a Siena immediatamente dopo la morte di san Francesco d'Assisi, avvenuta nel 1226. Tra il 1228 e il 1255 si registra la costruzione di una prima chiesetta nel sito in cui ora sorge la basilica. L’edificio attuale fu costruito tra il 1326 e il 1475 in forme gotiche, ingrandendo una chiesetta preesistente. Nel Quattrocento prese parte al progetto forse Francesco di Giorgio Martini. Nel 1655 un incendio rovinò la chiesa, lasciandola malridotta per oltre due secoli: vennero infatti attuati pessimi restauri e aggiunte barocche poco amalgamate. Nel 1763-1765 si provvide alla costruzione del campanile attuale, su progetto di Paolo Posi.
Le operazioni di restauro iniziarono alla fine del XIX secolo, quando Giuseppe Partini ripristinò l’interno (1885-1892) e Vittorio Mariani e Gaetano Ceccarelli sostituirono la malridotta facciata medievale con quella attuale (1894-1913).

Il 14 agosto 1730 venne rubata dalla basilica una pisside con 351 particole (ostie) consacrate. Tre giorni dopo, il 17 agosto, le particole vennero ritrovate nella cassetta delle elemosine della vicina chiesa di Santa Maria di Provenzano (non si conoscono i motivi del furto, né della restituzione da parte del ladro).Durante le messa al momento dell'elevazione un chierichetto si fermò davanti a una cassetta per elemosina e scorse del bianco; aperta furono trovate le ostie. Per motivi igienici venne deciso di non consumare le particole in quanto la cassetta in cui vennero ritrovate era piene di polvere e ragnatele. Le ostie vennero riportate il giorno dopo con una grande processione in San Francesco. I fedeli chiesero di conservare le particole per poterle adorare a fini riparatori. Le ostie vennero messe prima in un corporale poi dopo la visita canonica del Padre Generale in una nuova pisside fatta sigillare. Dopo circa trent'anni la pisside fu aperta e si costatò che le ostie erano integre e intatte; non ci si pose problema, fu chiusa e poste nel tabernacolo. Circa 12 volte fu fatta questa operazione. Dopo oltre 280 anni le particole sono ancora integre, a dispetto della loro normale natura a ridursi in poltiglia e polvere entro circa due anni. Nel 1914 al momento della riapertura ci si meravigliò che le ostie fossero ancora intatte. Analisi chimiche e biologiche effettuate nel 1914 dimostrarono come le particole erano ancora composte da farina di pane azzimo, inalterate nell’aspetto, prive di batteri, acari e muffe, che invece avevano attaccato le pareti interne della pisside che le conteneva. Si gridò al miracolo. La Chiesa cattolica attribuisce questo fenomeno soprannaturale alla reale presenza del corpo di Gesù Cristo nelle particole consacrate, in accordo con il dogma eucaristico. Questo è un miracolo permanente, in quanto le ostie non sono una reliquia di ciò che avvenne nel 1730,ma la presenza reale di Gesù Eucarestia ancora oggi (perché il pane è fresco).
Le particole sono conservate in inverno e in estate in due cappelle diverse all’interno della basilica, rispettivamente nel transetto destro e sinistro. Delle 351 particole originarie ne sono rimaste poco più di 200, "non perché - come scrive Vittorio Messori - quelle che mancano siano state distrutte dal tempo ma perché, fra le tante 'prove' eseguite, ci fu anche il comunicare con esse delle persone che ne saggiassero il gusto. Che è risultato, esso pure, non alterato".   
Il 10 settembre 2014, a cento anni dall'ultima analisi, è stata effettuata una nuova ricognizione sulle ostie, che "conferma che le Sacre Particole conservate nella basilica di San Francesco, a Siena, si stanno ancora mantenendo miracolosamente intatte, contro ogni legge naturale" (cfr. Antonio Socci su "Libero"). 

La chiesa medievale gotica del 1326-1475 aveva una facciata coperta di fasce di marmo bianche e verdi, nello stile delle pareti laterali esterne del Duomo di Siena, un portale quattrocentesco di Francesco di Giorgio Martini e un rosone dello stesso autore. I lavori di restauro intrapresi alla fine del XIX secolo portarono alla sostituzione di tale facciata, ormai rovinata, con quella attuale in stile neogotico, fatta con laterizi e assai sobria. Tra le poche decorazioni si trovano un portale cuspidato in marmo che raffigura, nella lunetta, San Francesco e san Bernardino in adorazione della Vergine col Bambino e, in cima alla cuspide, il Cristo con la croce. Gli stemmi disseminati sulla facciata, anch'essi in marmo, rappresentano la città di Siena e le famiglie che hanno contribuito al mantenimento e restauro della chiesa. Il rosone è l'unico elemento antico, ereditato dalla facciata quattrocentesca di Francesco di Giorgio Martini.

L'edificio presenta una pianta a croce egizia, con unica navata ampia coperta a capriate e senza cappelle sporgenti, un transetto anch'esso coperto a capriate e molte cappelle voltate a crociera su entrambi i lati, tutte terminanti con una parete piatta piuttosto che semicircolare. Essendo la pianta a croce egizia manca un coro ed un'abside, sostituito da una cappella centrale simile alle altre del transetto, se si eccettua la maggiore dimensione. Tale pianta seguiva lo schema dell'architettura cistercense ed era un semplificato modello architettonico degli ordini mendicanti, che mirava ad un tempo a creare un ambiente di estese dimensioni, estremamente adatto alla predicazione ad una vasta folla di fedeli, e dall'altro ad eliminare gli eccessi decorativi.
Tutte le pareti interni sono caratterizzati da fasce di marmo bianco e verdi, sull'esempio del Duomo della stessa città. In seguito all'incendio del 1655 e al ripristino ottocentesco, l'ambiente interno è cambiato molto rispetto al passato, appare quasi disadorno, nonostante la recente ricollocazione dei dipinti originariamente ubicati negli altari barocchi demoliti nel XIX secolo.
La proiezione verticale della navata è a due fasce con altari nella prima e finestre gotiche con vetrate nella seconda, bifore lungo la navata e una grande quadriforaabsidale. Tali vetrate sono ben 36, in tutta la chiesa, e furono fatte dalla vetreria F. Zettler di Monaco di Baviera intorno al 1885-1890. Di queste, 25 sono state rifatte dalla stessa vetreria poco dopo la seconda guerra mondiale, essendo state distrutte dai bombardamenti. 

In controfacciata si conservano i resti di due sepolcri trecenteschi e, in alto, due grandi affreschi frammentari staccati rispettivamente da Porta Romana e Porta dei Pispini: l'Incoronazione della Vergine, iniziata dal Sassetta nel 1447 e terminata da Sano di Pietro nel 1450 (a sinistra), e la Natività di Cristo eseguita dal Sodoma nel 1531 (a destra).

Numerose sono le opere di questo lato della navata. Degno di nota è il portale rinascimentale che si incontra all’inizio della navata. Fu disegnato da Francesco di Giorgio Martini intorno al 1450 per la facciata esterna e qui trasferito dopo i restauri dei secoli XIX-XX (il dipinto ad olio su legno raffigurante San Padre Pio è opera moderna di Ezio Pollai del 1996). 
Interessanti sono anche i bassorilievi in marmo raffiguranti la benedizione della prima pietra e, più avanti, San Francesco che benedice gli uccelli e San Francesco che appare a Gregorio IX, tutte opere di fine-Duecento recuperate dalla vecchia chiesa romanica e murate su questa parete. 
Al termine della parete troviamo un affresco staccato raffigurante la Crocifissione di Girolamo di Benvenuto (fine XV-inizio XVI secolo).
Le sei pale sono opere non eccelse di pittori dei secoli XVI-XVII inclusi Alessandro Casolani e Ilario Casolani, Jacopo Zucchi, Pietro Sorri, Pietro da Cortona, un pittore vicino a Deifebo Burbarini e Dionisio Montorselli.

All'inizio del lato destro della navata è presente, entro una lunetta, una Visitazione e santi di pittore senese del primo Quattrocento. Più avanti si vedono in un nicchione altri frammenti di affreschi attribuiti ad Andrea Vanni (seconda metà del XIV secolo) in cui si riconoscono Santa Caterina d'Alessandria, Santa Margherita, San Gherardo, Santa Chiara, San Giovanni Battista e San Francesco che riceve la stimmate.
Alla fine della parete il crocifisso ligneo della fine del Duecento è una delle opere più antiche della chiesa, sopravvissuto miracolosamente all’incendio del 1655.
Le tre tele sono opere minori dei secoli XVI-XVII di Giuseppe Nicola Nasini, Giovan Battista Ramacciotti, ed Alessandro Casolani insieme a Vincenzo Rustici.
Dopo il portale laterale è presente la tomba dei Tolomei, qui trasportata dall'esterno; una lastra nel pavimento è additata tradizionalmente come tomba di Pia de' Tolomei. 

Dalle pareti della navata penzolano le bandiere delle contrade di tutta la città, come avviene in altri edifici religiosi di Siena. Trovandosi la basilica sulla linea di confine tra il territorio della contrada della Giraffa e di quello della contrada del Bruco, alle due contrade spettano il patronato di due cappelle molto importanti della chiesa, rispettivamente la Cappella Maggiore e la Cappella estiva delle Sacre Particole. In entrambi i casi i pilastri di ingresso della cappella esibiscono quattro bandiere della contrada che ne ha il titolo (due per pilastro). Le bandiere delle rimanenti contrade di Siena sono qui presenti perché ogni singola contrada il giorno in cui rende omaggio al proprio santo protettore fa il giro della città e si reca anche in San Francesco, dove rende omaggio alle Sacre Particole (rubate e ritrovate nel periodo di quel palio del 16 agosto 1730 che per questo motivo non fu corso).