La basilica di San Francesco è un importante luogo di culto cattolico della città, famoso soprattutto per le Storie della Vera Croce, un ciclo di affreschi di Piero della Francesca presenti nella cappella. Nel febbraio del 1955 papa Pio XII l’ha elevata alla dignità di basilica minore.
Oltre ad essere un luogo di culto, la basilica è un museo statale sotto la direzione del Polo Museale della Toscana.
La costruzione iniziò nel secondo decennio del XIV secolo e terminò nel 1374.
Tra la fine del XVI secolo e l’inizio del XVII secolo fu costruito il campanile e nel corso del Seicento la chiesa prese un aspetto tipicamente secentesco con la distruzione di alcune cappelle gotiche, l’imbiancatura degli affreschi, la trasformazione delle finestre gotiche in rettangolari, la collocazione di nuovi altari e la realizzazione di decorazioni barocche.
A metà dell’Ottocento la chiesa venne restaurata rimuovendo tutte le aggiunte e le sovrastrutture barocche e riportando alla luce gli affreschi tre-quattrocenteschi.
Intorno al 1990 si è rimediato ad un infelice intervento eseguito dopo il 1870, che scalzò la facciata di quasi due metri.
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. Ai lati sono cappelle aperte nella navata, altre architettoniche ed altari laterali, spesso decorati da affreschi, anche frammentari. Tra gli artisti coinvolti nella decorazione di gusto tardo-gotico vi sono Spinello Aretino e i suoi seguaci (Parri Spinelli, Andrea di Nerio, Giovanni d’Agnolo di Balduccio).
La chiesa è ricca anche di attestazione della pittura rinascimentale: in controfacciata, sopra il portale, è un affresco con il Matrimonio mistico di santa Caterina con san Cristoforo di Giovanni di Ser Giovanni detto lo Scheggia. La vetrata dell’oculo soprastante è invece di Guillaume de Marcillat. La terza cappella a destra, dei Lambardi, mostra ancora affreschi frammentari di Antonio di Anghiari raffiguranti una Crocifissione con San Francesco e, sopra, due guerrieri, eseguiti tra 1454 e 1462. La cappella Carbonati, la seconda a sinistra, fu affrescata dal principale seguace aretino di Piero della Francesca, Lorentino d’Andrea con Storie di Sant’Antonio da Padova, nel 1463.
Tra le altre 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).
In fondo, davanti alla cappella maggiore è appeso il Crocifisso del Maestro del San Francesco di Arezzo, un allievo di Cimabue, probabilmente degli anni settanta-ottanta del XIII secolo. Sulle pareti della cappella maggiore, di patronato della famiglia Bacci, tra il 1453 ed il 1464 Piero della Francesca dipinse il celebre ciclo di affreschi delle Storie della Vera Croce.
I restauri degli affreschi di Piero della Francesca sono stati compiuti nel 1992, 500 anni dopo la morte dell’artista.
La cappella posta a destra dell’abside, dei Guasconi, è decorata da affreschi di Spinello Aretino con le storie dei Santi Egidio e Michele, terminate entro il 1404, mentre all’altare è un trittico con la Madonna che porge la Cintola a San Tommaso e Santi, di Niccolò di Pietro Gerini, probabilmente coevo agli affreschi. La cappella a sinistra è quella dei Tarlati, in essa si trova, sulla parte, un affresco staccato con l‘Annunciazione da alcuni attribuita al giovane Luca Signorelli, ma per altri opera di Matteo Lappoli, allievo di Bartolomeo della Gatta. All’altare è un’altra Annunciazione di Neri di Bicci, databile intorno al 1470 e proveniente dalle gallerie fiorentine.
La prima cappella a sinistra venne decorata negli 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. Nell’ultima cappella a sinistra è il fittile Monumento funebre di Francesco Roselli di Michele da Firenze.
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.
La chiesa inferiore, divisa in tre navate, è ora usata come sala espositiva.