In stile gotico italiano fu progettata dall'architetto Filippo da Campello nel 1255. La Chiesa presenta analogie con la Chiesa superiore di San Francesco. La facciata è caratterizzata da bande bicromatiche bianche e rosa con un portale a tutto sesto arricchito da simbolici leoni, una lunetta con un affresco di Giacomo Giorgetti e, al di sopra, un rosone a due giri di colonnine e archetti. Sul lato sinistro poggiano tre archi rampanti della fine del Trecento. L'abside poligonale è aperta da tre monofore e sul fianco si alza il campanile quadrato con cuspide. La pianta è a croce latina, con una sola navata divisa in quattro campate gotiche, le pareti sono spoglie, vi corre soltanto un ballatoio sopra il quale si aprono monofore. Gli affreschi che vi sono conservati raffigurano la vita della Santa. Nel presbiterio è collocato l'altare maggiore sostenuto da colonnine del XIV secolo. Nell'abside è appesa una pregevole croce dipinta da un seguace di Giunta Pisano. Nel braccio sinistro del transetto è dipinto un Presepio di scuola umbro-senese del XIV secolo, sulla parete di destra è appesa una tavola attribuita al Cimabue con l'immagine di Santa Chiara, contornata da otto riquadri simmetrici nei quali sono riprodotti alcuni episodi della sua vita.
Nel sotterraneo della Chiesa si trova una cripta neogotica con l'urna che contiene il corpo della Santa.