L'interno della chiesa
 
Illuminato dagli ampi finestroni a sesto acuto, la cui forma e dimensione è dovuta ai restauri del 1927, anche l'interno rispecchia pienamente i più semplici canoni costruttivi mendicanti: unica ampia navata coperta a legname, conclusa da una scarsella coperta con volta a crociera e affiancata da due semplici edicole con arco trilobato. Al di sopra dell'arco acuto della scarsella è visibile un arco a tutto sesto, leggermente incassato e decentrato sulla destra rispetto all'arco sottostante. Le vaste pareti conservano tracce degli affreschi originali, ritornate alla luce con la demolizione nei numerosi altari barocchi avvenuta nel quadro dei restauri ottocenteschi della chiesa. Altri affreschi dei secoli XV-XVI raffigurano i Santi Francesco d'Assisi e Bernardino da Siena sono entro la nicchia a destra del coro. Due eleganti Angeli cinquecenteschi di scuola umbro-senese sono sopra il moderno fonte battesimale a sinistra rispetto all'entrata. L'altare maggiore è di fattura moderna (1972), e sopra di esso è una bellissima Croce dipinta, opera tardoduecentesca dall'attribuzione controversa, certamente l'opera più importante conservata in S.Francesco. Francesco Anichini (Storia ecclesiastica della Città e Diocesi di Grosseto, ms.1751, c. 179v) riferisce che alla metà del Settecento «Nella chiesa di questi Pp. vi sono due tele di non mediocre vaghezza, e fra le altre vi è il S. Tommaso apostolo che si vuole opera di Francesco Rustico, pittore senese detto volgarmente il Rustichino».
 

Sacrestia.Annunciazione , di Francesco Curradi (Firenze 1570-1661), firmata e datata 1615 sulla base dell'inginocchiatoio. « Pittore dalla copiosa produzione pittorica, il Curradi ha forti legami con la pittura 'riformata' fiorentina; mesto e sinceramente devoto, segue schemi di facile accostamento e comprensione, come appare anche in questa tela, oggi purtroppo in cattive condizioni. La tela proviene dal soppresso convento del Petreto a Scansano» (B.SANTI '95, pp.128-129).
Queste opere non si trovano più nella chiesa, nella quale sono invece due tele che non appartengono al patrimonio originario di S.Francesco: un pregevole lavoro secentesco della scuola di Guido Reni sulla parete destra, raffigurante San Francesco d'Assisi in estasi, ed un'Annunciazione di Francesco Curradi conservata in sacrestia. A destra dell'altare maggiore si accede alla cappella dedicata a Sant'Antonio da Padova, realizzata nel 1641.La cappella sulla sinistra dell'altare è dedicata alla Beata Vergine Immacolata, ed è stata realizzata nell'ambiente che ospitava la sacrestia ricavata da un antico passaggio tra il convento e la chiesa nel 1592, l'anno in cui, a causa dei lavori di costruzione delle Mura Medicee, si riduce l'area del convento, vengono modificati i chiostri e costruiti i nuovi magazzini.