La chiesa di San Francesco è una costruzione gotica duecentesca, riedificata tra il 1318 e il 1377, che contiene all'interno molti resti di affreschi trecenteschi e quattrocenteschi. L'architettura della chiesa è di linea estremamente semplice: unici ornamenti sono una cornice che corre tutto intorno all'orlo del tetto, le finestre con arco a sesto acuto, una finestra circolare e una tettoia posta sopra la porta principale, terminante con una lunetta ove è raffigurata una Madonna col Bambino e santi, ridipinta dal Casucci, che ha anche costruito il campanile, restaurato nel 1927. Ad eccezione della parte inferiore della facciata che è in blocchi di travertino, tutta la costruzione è in mattone brunito dal tempo che sottolinea la particolare nudità dello stile francescano goticizzante. 
La cappella maggiore era di patronato della ricca famiglia Bacci, cui si deve la committenza delle opere che la decorano. Gli affreschi furono iniziati nel 1447 da Bicci di Lorenzo che eseguì i quattro evengelisti nella volta, i due dottori della chiesa nel sottarco e il Giudizio universale sulla fronte esterna dell'arco trionfale. Piero della Francesca fu probabilmente chiamato a sostituire Bicci di Lorenzo dopo la sua morte. Gli affreschi  di Piero della Francesca raffigurano le quindici scene della Leggenda della vera croce e furono terminati nel 1466. Finito il restauro dei celebri affreschi, la cappella Bacci è stata musealizzata, consentendo l'accesso a piccoli gruppi di visitatori (25 persone alla volta ogni 30 minuti) da una porta laterale della chiesa. 

Stupendo e di altissimo pregio è il grande Crocifisso dell'altare, opera attribuita a Duccio di Boninsegna e databile molto probabilmente al 1289 anno della riapertura al culto della chiesa ove è conservato; il suo schema e la vivezza dei tratti del volto esprimono un rassegnato dolore. La cappella di destra, che non fa parte architettonicamente della chiesa, è dedicata a a S Antonio da Padova: la volta e la parete di fondo furono affrescate da Francesco e Antonio Nasini di Casteldelpiano che eseguirono il tra il 1651 e il 1680. Il chiostro attiguo, restaurato di recente, ha al centro un pozzo detto della Bufala, fatto costruire da Ferdinando dei Medici nel 1590 e, alle pareti, qualche pietra tombale stemmata e resti di affreschi.Un altro pozzo, costruito nel 1465 dai Senesi, si vede nell'attigua piazza dell'ex ospedale.