Costruzione gotica del sec. XIII, rifatta nel 1318-77, manomessa e restaurata ai primi del '900, ha facciata incompiuta, con lacerti del rivestimento in pietra di fine '300 nel basamento; il campanile è del '500. L'internoè a unica navata con copertura a capriate, grandiosa nel contrasto tra le spoglie forme gotico-francescane e i resti d'affreschi alle pareti. In controfacciata due affreschi di Parri di Spinello e bella vetrata* del rosone di Guillaume de Marcillat (1524); alla parete destra: edicole gotiche e rinascimentali, alcune originali, altre frutto degli interventi dei primi del '900, nonché numerosi affreschi, in parte guasti e mutili, dei sec. XIV e XV; nella 1a edicola (cappella Carbonati), affreschi di Lorentino d'Arezzo; nella 4ª, Madonna e santi di Parri di Spinello; dopo la 5ª, Annunciazione di Spinello Aretino; nella cappella Guasconi, a destra del coro, affreschi pure di Spinello Aretino (c. 1400) e sull'altare, trittico di Niccolò di Pietro Gerini. Segna l'accesso al coro il grande Crocifisso con S. Francesco attribuito al Maestro di S. Francesco (2ª metà del sec. XIII). Nel prospetto dell'arco, Giudizio Universale, affresco di Bicci di Lorenzo; alle pareti del coro, Leggenda della Vera Croce**, il celebrato ciclo di affreschi su tre registri eseguito da Piero della Francesca probabilmente tra il 1453 e il 1466, ispirandosi alla Legenda Aurea di Jacopo da Varagine: restaurati con estrema accuratezza, sono per rigore di stile e preziosità di colore tra le più importanti creazioni del rinascimento italiano. Nella cappella Tarlati, a sinistra del coro, Crocifissione di Spinello Aretino, una tavola con l'Annunciazione di Neri di Bicci e un affresco (Annunciazione) attribuito alla giovinezza di Luca Signorelli o alla prima attività di Bartolomeo della Gatta. Nella 6ª cappella sinistra, monumento sepolcrale attribuito a Michele da Firenze (sec. XV); nella 2ª, Miracoli di S. Antonio di Lorentino d'Arezzo.