Benché di forme e aspetto ancora prettamente romanici, il San Francesco di Bologna è tra le costruzioni italiane quella nella quale sono riflesse con maggiore fedeltà le caratteristiche del gotico francese chiaramente riconoscibili soprattutto negli archi rampanti absidali esterni. Di notevole interesse nei pressi dell'abside i tre monumenti funebri (Arche) dei glossatori Accursio e del figlio Francesco d'Accursio, del giurista Odofredo e di Rolandino dei Romanzi. La facciata a capanna è di impronta ancora romanica, tripartita da lesene e decorata da scodelle di ceramica lungo gli spioventi. Il portale si apre entro un protiro marmoreo affiancato da bassorilievi che forse risalgono all'VIII secolo.

Alla base del campanile grande è la gotica Tomba di Pietro Canetoli (1382); vicino, affresco con Madonna col Bambino e santi di Pietro Lianori (1405 circa). Incassato fra la chiesa e gli edifici che la fiancheggiano dal lato sud è un piccolo atrio in stile romanico, ma anch'esso fortemente restaurato, con archi a tutto sesto, e sulle pareti frammenti di sculture e elementi decorativi; da qui si accede al chiostro del convento e alla chiesa per un ingresso laterale.

L'interno è a tre navate scandite da pilastri ottagonali con altissime volte esapartite (cioè divise in sei vele, come a Notre Dame di Parigi). Nel coro si sviluppa un deambulatorio absidale con corona di nove cappelle a raggiera. Sulla controfacciata si trova il Monumento di Ludovico Boccadiferro (1545); sulle pareti della chiesa si trovano: il Monumento di Pietro Fieschi di Francesco di Simone Ferrucci (1492); l'Arca del vescovo Galeazzo Bottrigari (1519); il Monumento di Alessandro Zambeccari opera di Lazzaro Casario (1571); il Sepolcro di Giuseppe Arnolfini (1543); il Sepolcro di papa Alessandro V, opera di Nicolò Lamberti (1424); la Pietra tombale di Ercole Bottrigari (1612). All'altare maggiore è la grandiosa ancona marmorea di San Francesco che fu commissionata ai fratelli Pierpaolo e Jacobello dalle Masegne, ma realizzata dal solo Pierpaolo (1388-1392). Alle pareti del presbiterio sono ricollocati frammenti di affreschi con Storie della vita di san Francesco, realizzati da Giovanni da Rimini nel refettorio del convento, staccati e restaurati. In una delle cappelle radiali è un Crocifisso dipinto da Giovanni Lianori.

Il Chiostro dei Morti fu realizzato in pieno XIV secolo; sulle pareti sono collocate tombe dei dottori dello Studio tutte trecentesche. Un altro grande chiostro quattrocentesco è verso il lato sud: questo e molte altre parti del grande complesso che nei secoli fu dei frati Minori è oggi adibito ad altri usi (uffici finanziari).