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 pressochè restituito alla primitiva semplicità il grandioso interno ad unica navata, fiancheggiata a ds. da edicole con ornamenti trecenteschi e rinascimentali e a sn. da sobrie cappelle ogivali.
Ma l'attenzione del visitatore è attratta soprattutto dalle affascinanti scene delle Storie della Vera Croce, di Piero della Francesca sulle pareti della cappella maggiore (abside) tra il 1453 ed il 1464 (ca.). 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 della sopraintendenza aretina, dal Comune, dalla Provincia e dalla regione Toscana
