L'edificio, con pianta a croce latina, presenta un'unica navata con uno straordinario soffitto a cassettoni lignei.
All'interno si trova la “Cappella delle suore” così chiamata per l’attiguo convento delle clarisse. Sono loro che custodiscono la Sacra Spina (donata alla popolazione di Montone da Carlo, figlio di Braccio Fortebracci, ed esposta al pubblico solo il lunedì di Pasqua e la penultima domenica di agosto di ogni anno).
La chiesa è ricca di affreschi e tele, come "L’Ultima cena", collocata sopra la porta della sagrestia, opera del fiammingo Calvaert.
L'affresco della volta, invece, è stato realizzato da Giovanni Parenti, caposcuola dell’accademia Fiorentina. Risale alla prima metà del 1700 e rappresenta gli apostoli in attesa della discesa dello Spirito Santo.