La chiesa venne costruita, dopo la morte di santa Chiara, tra il 1257 e il 1265, attorno all'antica chiesa di San Giorgio, che fino al 1230 aveva custodito le spoglie mortali di san Francesco. Le spoglie della santa vennero traslate già nel 1260, mentre la consacrazione solenne avvenne nel 1265, alla presenza di Clemente IV. I lavori di costruzione furono eseguiti dall'architetto Filippo da Campello.

L'interno della chiesa è a croce latina con navata unica (quattro campate), transetto e abside poligonale. Gli archi delle volte poggiano su pilastri a fascio, che attraversano le pareti nude, ravvivate solo da un ballatoio sopra il quale si aprono delle monofore. Anticamente la navata ospitava un ciclo di affreschi sulla vita della santa, di cui restano solo pochi frammenti dopo la scialbatura settecentesca e i danni del terremoto del 13 gennaio 1832.

Nella navata si apre una sola cappella, detta di Sant'Agnese, situata nella quarta campata a sinistra. Di forma pentagonale è dedicata alla sorella di santa Chiara ed è decorata da affreschi del 1914 di Girolamo Marinelli e pitture murali di Sigismondo Spagnoli.

Sul lato destro si apre invece l'ambiente della cappella di San Giorgio, già facente parte della primitiva chiesetta. Una vetrata la divide in due ambienti, uno dei quali è oggi la cappella del Sacramento. Quest'ultima è decorata dagli affreschi di Pace di Bartlo (sulla parete di ingresso Annunciazione, San Giorgio, Natività e Adorazione dei Magi) e di Puccio Capanna (parete sinistra, Madonna col Bambino in trono e santi), oltre che di un maestro trecentesco umbro influenzato da Giotto e Pietro Lorenzetti (Resurrezione, Deposizione, Sepoltura di Cristo). Sulla parete dietro l'altare si trovano i frammenti della decorazione duecentesca e altri successivi del Trecento, in cui si riconoscono Santa Caterina e una santa, Santi Chiara, Francesco e Agnese.