La basilica, costruita in pietre e mattoni, si trova nell'omonima piazza di San Francesco. Di fronte alla facciata è presente un monumento a Vittorio Fossombroni, di Pasquale Romanelli (1863), posto in posizione non dominante rispetto alla facciata. L'interno, molto spazioso, ha un'unica navata, fiancheggiata a sinistra da alcune cappelle e a destra da edicole con ornamenti del Trecento.

Sulle pareti della cappella maggiore, tra il 1453 ed il 1464 Piero della Francesca dipinse il celebre ciclo di affreschi delle Storie della Vera Croce. Un restauro è stato compiuto nel 1992, 500 anni dopo la morte dell'artista. La cappella posta a destra dell'abside ospita affreschi di Spinello Aretino, mentre in quella a sinistra si trova una Annunciazione forse del giovane Luca Signorelli.

La chiesa contiene anche un crocifisso del Maestro di San Francesco, un contemporaneo di Cimabue. La chiesa inferiore, divisa in tre navate, è ora usata come sala espositiva.

Nella parete tra la penultima e l'ultima cappella laterale di sinistra, si trova l'organo a canne, costruito nel 1969 dalla ditta organara Costamagna, donato il 4 ottobre dello stesso anno dal comune di Arezzo alla basilica. Lo strumento, a trasmissione elettrica, ha 14 registri e consolle a due tastiere di 61 note ciascuna e pedaliera concavo-radiale di 32.