Oltre ad essere un luogo di culto, la basilica è un museo statale sotto la direzione del Polo Museale della Toscana. Gli ingressi all'interno della cappella Bacci vengono contingentati in fasce orarie e per questo richiede una prenotazione obbligatoria.

 

La basilica è storicamente la seconda chiesa francescana di Arezzo. La prima era fuori dalle mura e doveva essere una chiesa grande per contenere la grande Croce francescana e una tavola della Maestà di Guido da Siena. La prima chiesa fu distrutta per motivi di difesa e così la comunità di Arezzo chiese che la seconda fosse costruita dentro le mura (1290). La Maestà fu spostata nella nuova chiesa e successivamente asportata nel 1863 per farne un pezzo da museo.

 

Presso l'Archivio Capitolare di Arezzo, è conservata la pergamena che rappresenta il disegno di progetto dell'intero complesso conventuale, compresa la chiesa. Questo, risalente alla fine del XIII secolo inizi del XIV, risulta essere tra i disegni architettonici più antichi conservati in Italia. Il nome del progettista della chiesa è da cercare tra i discepoli di frate Elia da Cortona, ed il suo nome è Fra Giovanni da Pistoia.

 

Nel XIV secolo una pia donna di nome Monna Tessa lasciò trecento lire per il rivestimento della facciata; si iniziò, ma per l'esigua somma, ci si fermò allo zoccolo, rimasto come testimonianza di buona volontà, la facciata si è preservata fino ai giorni nostri, e non subì nessun cambiamento.

 

Intorno al 1990 si è rimediato ad un infelice intervento eseguito dopo il 1870, che scalzò la facciata di quasi due metri. Idealmente venne ricostruita la base su cui poggiava, in una forma moderna, che dice il presente senza sopraffare il passato.

 

La basilica, costruita in pietre e mattoni, si trova nell'omonima piazza di San Francesco. Di fronte alla facciata è presente un monumento a Vittorio Fossombroni, di Pasquale Romanelli (1863), posto in posizione non dominante rispetto alla facciata. L'interno, molto spazioso, ha un'unica navata, fiancheggiata a sinistra da alcune cappelle e a destra da edicole con ornamenti del Trecento.

 

Sulle pareti della cappella maggiore, tra il 1453 ed il 1464 Piero della Francesca dipinse il celebre ciclo di affreschi delle Storie della Vera Croce. Un restauro è stato compiuto nel 1992, 500 anni dopo la morte dell'artista. La cappella posta a destra dell'abside ospita affreschi di Spinello Aretino, mentre in quella a sinistra si trova un'Annunciazione già attribuita al giovane Luca Signorelli, ma più probabilmente opera di Matteo Lappoli.

 

La chiesa contiene anche un crocifisso del Maestro del Crocifisso di San Francesco di Castiglion Fiorentino, un allievo di Cimabue, appeso al centro della cappella maggiore. Sui lati delle navate si aprono cappelle e altari laterali, spesso decorati da affreschi, anche frammentari. Tra gli artisti coinvolti nella decorazione si ricordano Spinello Aretino e i suoi seguaci (Parri Spinelli, Andrea di Nerio, Giovanni d'Agnolo di Balduccio), e il principale seguace aretino di Piero della Francesca, Lorentino d'Andrea, oltre a qualche opera attribuita ad Antonio di Anghiari. Tra le pale d'altare spiccano quella di Giovanni Antonio Lappoli su disegno di Rosso Fiorentino, una del caravaggista aretino Bernardino Santini, e una buona copia dal Cigoli (Miracolo della Mula). La prima cappella a sinistra venne decorata begli anni venti del Novecento come cappella votiva ai caduti della prima guerra mondiale: venne decorata da una grande pala di Giuseppe Cassioli e da vetrate della Manifattura Chini di Borgo San Lorenzo. La vetrata dell'oculo in facciata è invece di Guillaume de Marcillat.

 

La chiesa inferiore, divisa in tre navate, è ora usata come sala espositiva.

 

Nella parete tra la penultima e l'ultima cappella laterale di sinistra, si trova l'organo a canne, costruito nel 1969 dalla ditta organara Costamagna, donato il 4 ottobre dello stesso anno dal comune di Arezzo alla basilica. Lo strumento, a trasmissione elettrica, ha 14 registri e consolle a due tastiere di 61 note ciascuna e pedaliera concavo-radiale di 32.