La basilica dei Servi di Siena si presenta esternamente in mattoni, priva di ogni decorazione, rispondendo così all'esigenza dei nuovi Ordini mendicanti di una maggiore sobrietà delle forme, anche a causa dell'incompiutezza della facciata, la quale presenta tracce dell'ampliamento subito dalla chiesa nel corso del '500 con la tamponatura del più antico rosone. La zona absidale si mostra ben realizzata in stile gotico, mentre le vetrate sono un'opera contemporanea di
Ulisse de Matteis. Al lato della facciata si colloca il campanile edificato nel 1926 in stile neogotico riprendendo in modo fedele le forme del campanile della Cattedrale senese.
La pianta è a croce latina, seguendo i dettami di Sant'Ambrogio, per il quale la chiesa doveva avere la forma della croce della Passione di Cristo. Lo spazio interno è diviso in tre navate, quella centrale più alta delle due laterali, separate tra loro da colonne di vario stile, sormontate da un arco a tutto sesto. Secondo una tradizione, alcune colonne, attribuite anche all'architetto senese
Baldassarre Peruzzi, proverrebbero da un portico mai realizzato in Piazza del Campo, voluto da Pandolfo Petrucci, signore di Siena all'inizio del '500. Le colonne, insieme ai semipilastri della controfacciata sono dodici, alludendo così al numero degli Apostoli, i pilastri della Chiesa.
L'interno della chiesa presenta pareti intonacate di bianco e sottarchi decorati con rosoni dipinti in grigio inseriti in quadrati; l’eleganza architettonica che caratterizza la Basilica, ispirata a modelli rinascimentali fiorentini, sembra quasi richiamare una grazia tutta femminile di impronta mariana.
Gli altari lungo le pareti laterali furono realizzati dopo il XVI secolo, quando furono aperte anche le finestre sovrastanti; prima di quell'epoca all'interno di una chiesa esisteva solo l'altare maggiore, unico luogo dove si celebrava la Messa, ma dopo la Controriforma, con le trasformazioni apportate all'organizzazione della Chiesa, gli altari si moltiplicarono, infatti ogni famiglia importante poteva farne costruire uno.
Tali altari si salvarono dai profondi restauri di fine Ottocento, finalizzati a recuperare un immaginario stile gotico delle origini; fu proprio in quell'occasione che si riscoprirono gli affreschi di scuola lorenzettiana nella cappella absidale di San Giovanni.