L’edificio si distingue per la semplicità delle sue forme, che riflettono l’austera regola dell’ordine monastico.
L’interno, a navata unica, è scandito da sei grandi archi a sesto acuto e termina in un coro poligonale affiancato da cappelle rettangolari, dove si aprono grandi finestre ogivali.
La chiesa ospita pregevoli opere del Cinque e del Seicento; accanto alla Visione di San Guglielmo di Antonio Nasini (1643-1715), si ricordano le opere dipinte da artisti senesi e fiorentini, che attestano gli ampi orizzonti culturali e le disponibilità finanziarie di questa comunità monastica. Ombre caravaggesche offuscano i quadri del senese Rutilio Manetti (1571-1639), raffiguranti la Madonna col Bambino e i Santi e la Visitazione della Madonna a Sant’Elisabetta. L’Annunciazione di Jacopo da Empoli (1551-1640), del 1614, replica il quadro realizzato dieci anni prima dall’artista fiorentino per la chiesa di Santa Trinita. Fiorentino era anche Lorenzo Lippi (1606-1665), cui si deve la Fuga in Egitto. Sull’altare maggiore era originariamente posta la Maestà di Ambrogio Lorenzetti, che per questa chiesa, come ricorda il Vasari, eseguì anche gli affreschi di una cappella, oggi perduti. Sul fianco si erge un chiostro quattrocentesco, parzialmente demolito nel XIX secolo per costruire le scuole comunali. Il campanile, risalente al 1527, è stato innalzato su una preesistente torre della cerchia muraria.
