Neogotycka fasada zwieńczona trzema tympanonami została zaprojektowana przez N. Matasa w XIX wieku. Również neogotycka dzwonnica pochodzi z okresu późniejszego. Projekt G. Baccaniego zrealizowano w 1847 r.

Trójnawowa, gotycka bazylika została zaprojektowana na planie krzyża egipskiego (w kształcie litery T). Nawy oddzielają od siebie rzędy ośmiobocznych filarów połączonych zaostrzonymi łukami arkad. Bazylikę przykryto więźbą dachową. Całą posadzkę przykrywają kamienne płyty nagrobne. Na przedłużeniu nawy głównej znajduje się Główna Kaplica Capella Maggiore z freskami przedstawiającymi Legendą o Św. Krzyżu namalowanymi przez Agnola Gaddiego w 1380. Nad poliptykiem z Madonną i świętymi wykonanym wg projektu Geriniego umieszczony został krucyfiks według szkoły Giotta. Do nawy poprzecznej przylegają liczne kaplice. Wśród nich:
- kaplica Castellanich ozdobiona freskami Agnola Gaddiego z 1385,
- kaplica Baroncellich z freskami Taddea Gaddiego i obrazem Giotta – Koronacja Marii,
- kaplica Medyceuszów, zaprojektowana przez Michelozza, z płaskorzeźbą Donatella i rzeźbami Anrei della Robbia,
- kaplica Veluttich ozdobiona freskami przypisywanymi Cimabuemu,
- kaplica Peruzzich i Bardich z freskami Giotta przedstawiającymi życie św. Jana Ewangelisty i św. Franciszka z Asyżu oraz drewnianym krucyfiksem Donatella,
- kaplica Tosinglich z freskiem Giotta Wniebowzięcie,
-kaplica Pulcich z freskami Bernarda Daddiego,
- kaplica Salvatich z nagrobkiem Zofii Zamojskiej z rodu Czartoryskich, zmarłej we Florencji w 1837, nie jest to jedyny polski akcent. W kościele znajdują się także dwie płaskorzeźby Teofila Lenartowicza – drzwi nagrobka Zofii z Kickich Cieszkowskiej oraz epitafium powstańca styczniowego, Włocha Stanisława Bechiego ze sceną jego śmierci (przez rozstrzelanie), a także nagrobek Michała Borgii-Skotnickiego.
Wejście do zakrystii zdobi portal Michelozza. Wewnątrz znajduje się kaplica Riuncinich z freskami Giovanniego da Miliano ukazującymi sceny z życia Magdaleny i Marii.

Okna zdobią witraże z końca XIV wieku. W nawie środkowej, po prawej stronie, znajduje się piętnastowieczna ambona Bernadetta da Maiano.

Kościół Santa Croce stał się miejscem spoczynku wielu osobistości Florencji. Z tego powodu często bywa nazywany Panteonem. Wśród wielu innych z kościele zostali pochowani:
- Michał Anioł, nagrobek zaprojektował Vasariego w 1579,
- Dante Alighieri, nagrobek według projektu Ricciego z 1829, (jest to cenotaf, Dante jest pochowany w Rawennie,
- Galileusza, nagrobek Foggiego 1737,
- Vittorio Alfrieri, nagrobek Canovy 1810,
- Ugo Foscolo
- Gioacchino Rossini
- Niccolo Machiavelli,
- Leonardo Bruni,
- Leon Battista Alberti,
- Charlotte Bonaparte, córka Józefa Bonaparte.

Na zewnątrz, po lewej stronie kościoła, pod arkadowym portykiem znajduje się nagrobek Franciszka Pazzi. Po prawej stronie, krużganki i przylegająca do nich kaplica Pazzich oraz Muzeum Kościoła Santa Croce.

Renesansowa kaplica Pazzich została zaprojektowana przez Brunelleschiego w 1430 r. Nawę wybudowano na planie prostokąta. Jej centralną część przykryto podzieloną na 12 pól kopułą wspartą na bębnie, który opiera się na pendentywach. Wieńczy ją latarnia (ukończona w 1461). Do kaplicy przylega prezbiterium zaprojektowane na planie kwadratu. Przesklepiono je gładką kopułą opartą na żagielkach. Wejście poprzedza oparty na sześciu kolumnach podcień. Przedsionek przykrywa sklepienie kolebkowe z kopułą opartą na pendentywach w centralnej części. Wystrój kaplicy jest dziełem: Desideria da Settignano, Luki della Robbia i Giuliano da Maiano.