L'edificio era costruito a tre navate e tuttora rimangono soltanto l'abside e il transetto dopo che il resto del corpo della chiesa fu abbattuto nel 1932 per la costruzione dell'Accademia femminile di educazione fisica. Oggi quel complesso di edifici ospita il centro addestramento di specializzazione dei Baschi Verdi della Guardia di finanza.

All'interno della chiesa è conservata la cattedra utilizzata da Tommaso d'Aquino durante le lezioni di teologia che teneva ad Orvieto nel periodo in cui vi risiedette (1263-1264). Monumenti degni di nota sono: il mausoleo del cardinale De Braye realizzato dal Arnolfo di Cambio attorno al 1282. Gli ultimi restauri hanno messo in evidenza come la statua della Madonna sia stata rimodellata da una scultura romana del II secolo a.C.; la cappella funeraria (cappella Petrucci) costruita da Michele Sanmicheli fra il 1516 e il 1523 sotto il coro della chiesa. Costruita in forma ottagonale, sono visibili diverse sculture sul pavimento ricollocate, dopo i restauri, nella loro posizione originaria davanti all'altare.

Dalla chiesa proviene il bellissimo Polittico con Madonna, Bambino e Santi di Simone Martini (1323-1324), conservato oggi al Museo dell'Opera del Duomo di Orvieto.