La costruzione della Chiesa di San Francesco va datata al XIII secolo, come si ricava da una Bolla del Pontefice Innocenzo IV che, nel 1251, concedeva speciale indulgenza a coloro che avessero contribuito all'edificazione.
La Chiesa, ascrivibile allo stile gotico primitivo, presenta una facciata a superficie piana con il portale principale arricchito da fasci di colonnine laterali inframezzati a piccoli pilastri e sormontati da un arco acuto.
Nella lunetta del portale si conserva un affresco rappresentante la Madonna col Bambino ed i Santi Francesco e Caterina, databile al Quattrocento e di autore che, sebbene ignoto, appartiene alla scuola marchigiana, seppur non esente da inluenze umbre.
L'ordine francescano è richiamato da un emblema sulla vetrata che orna il rosone, in arenaria, risalente al 1909, opera di Giuseppe Cipriani.
Ben diversa doveva essere la facciata alla fine del sec.XV, con un ricco portico dinanzi all'ingresso, innalzato nel 1487 da Ludovico Stefani, su disegno di Francesco di Giorgio Martini, come si deduce da una nota del 1776, in calce agli statuti della città, che riporta l'iscrizione scolpita sul frontone delle arcate del portico.
Questa iscrizione va evidente riferimento a Ottaviano Ubaldini e precisa anche la data di costruzione. Oggi del portico non resta traccia, ma se ne possono intravedere i lineamenti in una interessante pianta de La nobile terra di Mercatello conservata presso l'Archivio di Stato di Roma.
La Chiesa presenta un'unica navata con tetto a capriate e abside quadrilatera, caratterizzata da un notevole arco di stile tardo-gotico. Sui fianchi si aprono otto finestre trilobe chiuse da vetrate.

Il Convento di San Francesco, così come oggi si presenta, è il frutto di numerose trasformazioni e consistenti mutilazioni, tant'è che l'odierna Piazza San Francesco insiste su quello che un tempo ne era il chiostro. Il porticato, demolito nel 1835 perché pericolante, appoggiava sui muri perimetrali, un tempo affrescati, dell'attuale piazza.
Di antiche origini duecentesche, fu sede dei frati cappuccini fino al 1883, quando divenne sede episcopale del vescovo di Urbania.
Al piano terra si conservano le due bifore gotiche ai lati dell'ingresso della Sala Capitolare, coperta a botte. Ancora visibile è la parte superiore di un affresco di una lunetta del chiostro, raffigurante Maria SS. incoronata da due angeli.
Al piano superiore, riaperte nel 1921, si notano le piccole monofore trilobate che illuminavano le celle dei frati.
Il refettorio, che occupava il braccio destro del convento, è andato completamente perduto a causa di un incendio avvenuto a metà del secolo scorso.

Al centro della Piazza si trova una fontana in pietra arenaria eretta nel 1954 su disegno del geometra Giuseppe Alessandri; sul bordo esterno e sull'elemento centrale di essa sono scolpiti estratti dal Cantico delle Creature di San Francesco d'Assisi.

Chiesa e Convento sono attualmente (2007) divenuti sede del museo omonimo.

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