L'esterno della chiesa è caratterizzato dalla facciata, in pietra, preceduta da un portico a tre arcate a tutto sesto poggianti su pilastri in mattoni a pianta ottagonale, con capitelli ionici in pietra serena. Nella parte superiore del prospetto si apre un oculo strombato, con vetrata policroma raffigurante il santo dedicatario della chiesa.

L'interno della chiesa, in stile barocco è a navata unica di cinque campate, delle quali la prima e la terza sono coperte con volta a crociera, la seconda e la quarta con volta a botte lunettata e la quinta con volta a vela.

Dirimpetto alla cappella del Sacro Cuore, sulla parete sinistra della prima campata della navata si apre un arco che costituisce l'accesso alla cappella della Madonna del Rifugio, ricostruita in stile rinascimentale tra il 1854 e il 1858; l'ambiente, a pianta ottagonale, presenta, a ridosso della parete di fondo, l'altare marmoreo che ospita la venerata icona, attribuita a Sano di Pietro. L'ambiente è voltato con una cupola ottagonale priva di lanterna. Nella cappella sono custodite importanti opere d'arte, appese alle pareti laterali: l'Annunciazione di Benvenuto di Giovanni (1470), il Battesimo di Cristo di Guidoccio Cozzarelli (1483 circa), l'Incoronazione della Vergine col Bambino tra i Santi Simone e Taddeo dello stesso artista (1486) e il Cristo benedicente di Sano di Pietro.