Il Cisternone, imponente edificio in stile neoclassico, fu progettato dall'architetto aretino Pasquale Poccianti ed inaugurato dal Granduca Leopoldo II di Lorena nel 1842. La grande cisterna, la cui costruzione fu iniziata a partire dal 1828, doveva filtrare l'acqua proveniente dalle sorgenti di Colognole e garantire, in caso di guasti dell'acquedotto, l'approvvigionamento idrico della città. La cisterna misura 38 metri in larghezza, 42 in lunghezza e ha una capienza di 11.000 metri cubi.

Il Cisternone è costituito essenzialmente da un due corpi di fabbrica principali: l'avancorpo, dove si apre la facciata affiancata da alcuni locali laterali e dall'appartamento dei custodi; la cisterna vera e propria, costituita da un volume a forma di T e spogliata di ogni decoro estetico.

La facciata è costituita da un portico tuscanico e, ai lati, è delimitata da due volumi aperti solo da alcune finestre a feritoia e semicircolari. Al piano superiore il portico definisce un ampio terrazzo sul quale si affacciano le finestre di alcuni locali: qui si apre la caratteristica semicupola, che alcuni primi progetti del Poccianti mostrano priva persino della decorazione a lacunari, messa invece in opera nel 1837.

Non meno suggestivo è l'interno delle cisterna, ancora oggi utilizzata come serbatoio d'acqua e suddivisa in 5 navate di larghezza e 7 di lunghezza da numerosi pilastri tuscanici che sorreggono le volte a vela della copertura. In origine, l'acqua sorgiva proveniente da Colognole, si portava nella parte posteriore della cisterna, dove veniva filtrata per mezzo di strati di ghiaia e carbone; in seguito, con l'introduzione del cloro per il trattamento delle acque, il sistema di filtraggio poté essere rimosso e la vasca fu pertanto utilizzata interamente come serbatoio, per una capacità complessiva di ben 10.000 metri cubi.