Affacciata sull’omonima piazza, nel punto dove la direttrice di via Cavour si allarga per formare un suggestivo punto di accesso al nucleo più antico della città, la basilica risale alla seconda metà del Duecento, ma l’attuale aspetto deriva dal rifacimento trecentesco, condotto in stile gotico toscano e chiaramente ispirato a criteri di semplicità estetica di derivazione francescana. Gli ultimi restauri risalgono all’inizio di questo secolo. L’edificio è costruito in pietre e mattoni; del progettato rivestimento della facciata in pietrame scolpito resta solo il basamento (fine Quattrocento). Il campanile risale al Cinquecento. Laboriosi lavori di restauro hanno pressoché restituito alla primitiva semplicità il grandioso interno ad unica navata, fiancheggiata a destra da edicole con ornamenti trecenteschi e rinascimentali e a sinistra da sobrie cappelle ogivali.

Ma l’attenzione del visitatore è attratta soprattutto dalle affascinanti scene della Leggenda della Vera Croce, dipinte da Piero della Francesca sulle pareti della cappella maggiore (abside) tra il 1453 ed il 1464. Sul celebre ciclo di affreschi  una delle più alte testimonianze della pittura italiana del Rinascimento è in corso un accurato intervento di restauro, condotto con criteri scientifici e tecnologici d’avanguardia, rivolto a riportare l’opera all’originaria bellezza entro il 1992, cinquecentesimo anniversario della morte dell’artista. L’operazione, denominata Progetto per Piero della Francesca, è condotta dal Ministero per i Beni culturali, dalla Soprintendenza aretina, dal Comune, dalla Provincia e dalla Regione Toscana; sponsor ufficiale è la Banca Popolare dell’Etruria e del Lazio.

Da notare inoltre un grande Crocifisso dipinto da un contemporaneo di Cimabue e, entro l’ultima cappella laterale sinistra., il monumento funebre al giureconsulto Roselli (prima metà del Quattrocento). Al piano sottostante si estende, divisa in tre navate, la Chiesa inferiore, ripristinata nel corso degli ultimi decenni ed utilizzata come suggestiva sala espositiva.