Внешний виз здания прост, даже незатейлив. Зато интерьер храма украшают настоящие произведения искусства. В XV веке по заказу богатого семейства Биччи было начато создание фрескового цикла в церкви, над которым сначала работал Биччи де Лоренцо, а затем к нему приступил Пьетро делла Франческа (1420-1492), незаурядный мастер эпохи Возрождения. Его значимость как художника по достоинству оценили еще некоторые современники, однако выдающимся мастером его признали уже спустя несколько веков. Альбер Камю замечает по этому поводу:
Сердце немного щемит, как подумаешь, что Юлий II приказал уничтожить фрески Пьеро делла Франческа (и других), чтобы его покой расписал Рафаэль...
Фрески были завершены около 1465-го года и отреставрированы в начале 1990-ых гг., т.к. они заметно пострадали от времени.
Главным сюжетом цикла является история Животворящего Креста Господня, который после Голгофы был потерян, а через полторы тысячи лет чудесным образом найден и увезен в Константинополь. Иные фрески связаны с различными библейскими и историческими эпизодами - биографией Адама, Иуды, царицы Савской, обращение в христианство императора Константина.
Фрески имеют не только религиозное значение, т.к. это одним из первых живописных творений в Италии, при создании которых учитывалась перспектива.
В базилике есть и иные интересные и старинные элементы декора: например, фрески в нишах справы датируют вообще XIV веком, некоторые фрагменты алтаря оформлены художником Андреа дель Кастаньо (1423-1457), чье авторство достоверно установили лишь в конце XIX века.
