La basilica è storicamente la seconda chiesa 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 se la seconda potesse essere costruita dentro le mura (1290). La Maestà fu spostata nella nuova chiesa e successivamente asportata nel 1863 per farne un pezzo da museo.
Il nome del progettista della chiesa è da cercare tra i discepoli di frate Elia da Cortona, dove su una pianta in pergamena del XIV secolo chiama 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 una Annunciazione forse del giovane Luca Signorelli.
La chiesa contiene anche un crocifisso del Maestro di San Francesco, un contemporaneo di Cimabue. 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.
