L'attuale chiesa di San Francesco in Rocca fu costruita negli anni 1650-53 su disegno di Bartolomeo Avanzini. Eretta accanto al Palazzo Ducale, aveva la funzione di cappella della famiglia d'Este: era infatti collegata al palazzo principale da un passaggio segreto, che i duchi di Modena percorrevano per andare ad assistere alla messa. La chiesa fu affrescata dal francese Jean Boulanger, lo stesso che si occupò delle decorazioni del Palazzo Ducale, mentre la pala d'altare (Estasi di San Francesco, 1654) è opera del pittore fiammingo Michele Desubleo.

Nella cappella di destra è custodita una reliquia originaria della Turchia, il Santissimo Crocifisso, chiamato comunemente "Sacro Tronco", esposto una sola volta all'anno durante la processione del giovedì santo. Il crocifisso, già in Italia dal 1450, fu portato a Sassuolo nel 1587 da Marco III Pio, lo stesso che l'anno successivo fondò la Confraternita del SS Crocifisso, presente tutt'oggi. Nella parete opposta a quella del Sacro Tronco è invece presente un altare dorato con incastrato al suo interno un frammento di affresco risalente al XV secolo, la cosiddetta Madonna del Pellegrino.