Fino al 1460, la zona di San Francesco si trovava fuori delle mura urbane, ma poi, per l'insistenza di Papa Pio II Piccolomini - che nella chiesa di S. Francesco aveva la sepoltura dei genitori - venne inclusa entro l'attuale cerchia difensiva. Il tempio fu iniziato nel 1326 e ultimato nel 1475. La facciata attuale è un'opera moderna, in stile neogotico, compiuta nel 1913.
L'interno si presenta con un'ampia grandiosa navata gotica, distinta dalle pareti, ove s'alternano bande di marmo bianco e nero. Nel transetto sinistro s’aprono due cappelle con affreschi dei fratelli Pietro ed Ambrogio Lorenzetti. La Crocifissione che impreziosisce la prima cappella è un'opera tragica e di grande forza espressiva dovuta al pennello di Pietro. Nella terza cappella opera, invece, Ambrogio che vi dipinge San Ludovico d'Angiò ai piedi di papa Bonifacio VIII e il Martirio dei frati francescani a Ceuta, città del Marocco. Queste opere dei Lorenzetti sono datate tra il 1331 e il 1335. Una cappella moderna, conserva il "miracolo eucaristico di Siena": si tratta di 200 ostie consacrate che nel 1730 furono trafugate e poi ritrovate nella chiesa di S. Maria di Provenzano. Solennemente riportate in S. Francesco, queste ostie da allora si mantengono fresche ed intatte ed ora si possono ammirare in un moderno e prezioso ostensorio.
Il convento e i chiostri sono stati restaurati per ospitare sedi universitarie.
