La costruzione della Chiesa di San Francesco a Cortona si deve a frate Elia, successore del santo alla guida dell'ordine francescano, cui si deve l'edificazione dell'omonima basilica di Assisi. La chiesa viene costruita nel 1247 a Bagno della Regina, un territorio donato all'ordine di Elia dal comune. In precedenza erano ubicati nel luogo i resti delle antiche terme romane.

Purtroppo l'edificio, originariamente progettato e realizzato in stile gotico, non conserva molto della sua antica struttura, ampiamente ritoccata dai lavori di ristrutturazione effettuati nel Seicento. Dell'impianto originario rimane solo lo slancio verso l'alto e la sua solennità, tipici elementi del gotico medievale. Recentemente sono stati riportati alla fisionomia originaria anche il portale e le grandi invetriate del lato sinistro. Nella parete destra sopravvive un frammento di affresco trecentesco attribuito a Buffalmacco.
Al suo interno si conserva ancora il lascito ereditario di frate Elia, che ha consegnato alla chiesa alcune sacre reliquie appartenute a San Francesco: la sua tonaca, il suo Vangelo manoscritto ed il suo cuscino. Inoltre è presente un frammento della Santa Croce, che secondo la tradizione è stato recuperato dallo stesso frate Elia, uno dei più fedeli seguaci di Francesco d'Assisi, in quel di Costantinopoli.
L'interno, come detto, risente dei lavori di rimaneggiamento effettuati nel XVII secolo. Questi, in particolare, hanno cancellato con un'intonacatura gli affreschi che decoravano la chiesa nei suoi primi secoli di esistenza. Sono stati chiusi poi i finestroni gotici e sostituito l'altare. All'antico blocco di pietra in stile medievale è stato sostituito un meno austero altare barocco in marmo, realizzato da Bernardino Radi, che custodisce la reliquia della Santa Croce.
Gli altari secondari sono decorati da opere tardo-cinquecentesche: nel terzo della parete di destra figura l'Immacolata Concezione realizzata da Commodi nel 1609, mentre nel quarto il Cigoli ha realizzato il "Miracolo della mula", nel 1597. Il terzo altare della parete di sinistra presenta invece l'Annunciazione di Pietro da Cortona, considerato uno dei grandi capolavori del XVII secolo toscano. La tomba di frate Elia si trova nel coro.