L'edificio presenta un impianto cruciforme che aggrega, ad un settore occidentale a pianta basilicale con tre navate, un capocroce a pianta centrale, con bracci di uguali dimensioni e coppie di cappellette quadrate sui fianchi orientali del transetto.
All'esterno paramenti ed elementi decorativi manifestano una fattura accurata e qualitativamente sostenuta: il capocroce è ritmato da eleganti contrafforti e coronato, sui prospetti e sul frontoncino che sporge sul tetto, da una serie di gugliotti cilindrici con cappello conico. Una raffinata cornice ad archetti pensili intrecciati percorre tutto il profilo perimetrale all'innesto del tetto, in risalto sul paramento in laterizi connessi con grande regolarità. La profila superiormente un motivo a rombi policromi in serie sovrapposte, assai consueto nel romanico pavese, che decora anche le terminazioni dei contrafforti. Il capocroce era illuminato da monofore archivoltate, con semplici modanature, e da un grande rosone oggi occluso. Nell'angolo nord-orientale della croce si innesta il campanile, anch'esso ravvivato da cornici decorative ad archetti e rombi.
La facciata, realizzata probabilmente tra la fine del Due e l'inizio del Trecento, pur presentando motivi ricorrenti nella tradizione architettonica pavese ne offre un'elaborazione del tutto originale e ricca di suggestioni provenienti dall'esterno. La tripartizione interna è sottolineata dalla presenza dei contrafforti e dallo spezzarsi del frontone. Colpisce l'originalità del portale gemino, evidente citazione della basilica francescana di Assisi (che guardava a sua volta ad esempi francesi), e forse non privo di qualche legame con il motivo dei doppi fornici caratteristico delle porte urbiche (per esempio la Porta Nuova di Milano). I comparti corrispondenti alle navate laterali erano in origine privi di aperture; sopra il portale centrale si aprono quattro monofore di piccole proporzioni e, al centro, l'ampia trifora sotto arcata realizzata nell'Ottocento. Coronano il prospetto cinque pinnacoli cilindrici a terminazione conica, con due ordini sovrapposti di finte gallerie. L'effetto scenografico della facciata è accresciuto dalle intense qualità cromatiche del paramento, diviso in varie zone con un effetto di nitida scansione delle superfici.
La netta distinzione tra le due parti della fabbrica, fra lo spazio cioè destinato ai fedeli e quello riservato ai monaci, è sottolineata all'interno dal particolare sistema di copertura: mentre il corpo occidentale, notevolmente più basso, è coperto da tetto a vista nella navata centrale e voltato con crociere costolonate nelle navatelle laterali, il capocroce è interamente coperto da volte a crociera, anch'esse innervate da costoloni torici e con chiavi di volta scolpite con i temi dell'Agnello mistico (sopra l'altare) e con i simboli del tetramorfo apocalittico (sopra le altre campate).Se gli studiosi di fine Ottocento interpretavano il carattere composito dell'impianto come il frutto del prolungarsi dei tempi di costruzione della chiesa e di un conseguente mutamento del progetto originario, già la Romanini (1964) ribadiva il carattere programmatico di questa scelta constatando l'assenza di tracce di demolizione e di segni di interruzione in corrispondenza con l'innesto delle due parti della fabbrica. L'uso di un sistema di copertura misto non è del resto inconsueto nell'architettura francescana.Pochissimo resta della decorazione trecentesca della chiesa, coperta dai rifacimenti settecenteschi e perduta a seguito degli interventi otto e novecenteschi. Si segnalano in particolare un San Francesco, un Santo coronato ed una Madonna col Bambino, figure ancora sostanzialmente neoellenistiche ma collocate sotto fantasiose edicole architettoniche, databili immediatamente a ridosso del 1298, anno di conclusione del cantiere. Successiva di più di mezzo secolo è la Presentazione al tempio strappata dalla parete destra della medesima cappella.
La data della fondazione del San Francesco di Pavia non è nota; è possibile tuttavia che anche a Pavia, come a Milano, l'arrivo dei francescani possa collocarsi alla fine degli anni Venti del Duecento e che, insediatisi dapprima all'esterno delle mura, i frati abbiano fondato un loro edificio di culto in città fin dalla fine del decennio successivo. Donazioni per la costruzione di una chiesa intramurana sono attestate per gli anni 1267, 1277 e 1286, il che lascia supporre una particolare lentezza del cantiere; quando nel 1298 i francescani lasciarono definitivamente l'insediamento extraurbano, cedendolo ai carmelitani, il grande edificio era certamente compiuto. La generale risistemazione settecentesca dell'edificio, i restauri "interpretativi" della fine dell'Ottocento e quelli degli anni Cinquanta del Novecento hanno lasciato segni profondi. In particolare dopo il 1732 fu costruita, sulla testata settentrionale del transetto, la cappella dell'Immacolata, progettata da Giovanni Ruggeri; sempre nel Settecento furono aperti in facciata i due portali laterali, probabilmente assenti nel progetto originario; a fine Ottocento si intervenne nuovamente sul prospetto risarcendo l'originale portale gemino e, sopra di esso, la trifora con oculi a traforo entro un'ampia arcata a sesto acuto. I restauri dell'Aschieri rimossero infine, alla metà del Novecento, tutte le aggiunte interne di età barocca, comprese le volte in muratura della navata centrale.
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