Il nucleo originario dell'attuale basilica d'impronta gotica, in laterizi, fu eretto dai Domenicani tra il 1226 e il 1262-65. Ampliata intorno alla metà del secolo successivo, ha subito tormentate vicissitudini; nell'attuale aspetto rispecchia i profondi restauri del 1941-62, seguiti al grave stato di degrado in cui versava. Priva di facciata, rimasta allo stadio di progetto, la basilica è affiancata da un campanile quattrocentesco, mozzato nel 1793, e conserva una grandiosa parte absidale di carattere cistercense. L'interno, a unica navata con copertura a capriate e monumentali altari addossati alle pareti, è illuminato da alte bifore; vastissimo il transetto con sei cappelle absidali e coro centrale. All’interno, in controfacciata, è la cappella delle Volte con il celebre affresco di S. Caterina da Siena, di Andrea Vanni (sec. XIV), ritenuto il solo fedele ritratto della santa. Lungo la parete destra della chiesa, Crocifisso ligneo del sec. XIV e portale marmoreo che dà accesso alla cappella di S. Caterina decorata da bellissimi affreschi* del Sodoma (1526) e dipinti di Francesco Vanni; il tabernacolo marmoreo racchiude il reliquiario con la testa di S. Caterina. Nella sagrestia a fianco della cappella, sull'altare, Assunta in un coro angelico, stendardo dovuto al Sodoma; al termine della navata, a destra, Madonna in trono col Bambino benedicente, affresco attribuito a Pietro Lorenzetti, e Adorazione dei Pastori* di Francesco di Giorgio Martini. Sul moderno altare maggiore sono stati ricollocati l'elegante ciborio* marmoreo e gli angeli* reggicandelabro di Benedetto da Maiano (1475). Nella 1ª cappella a destra del coro, Madonna e santi di Matteo di Giovanni; nella 2ª a sinistra, Maestà di Guido da Siena e, alle pareti laterali, S. Barbara in trono*, di Matteo di Giovanni (1479), e Madonna e santi di Benvenuto di Giovanni (1483). All'estremità sinistra della navata, presso il transetto, altare con Madonna col Bambino, di Francesco di Vannuccio, entro la grande tavola Padre Eterno e santi, del Sodoma; all'altare successivo, S. Antonio Abate di Rutilio Manetti (1628). Nella vasta cripta del '300, a tre navate su piloni, grande croce dipinta di Sano di Pietro e Crocifissione di Bonaventura Salimbeni.