Costruita in una zona marginale dell'antico centro abitato, caratteristica usuale per un ordine mendicante, la chiesa di San Francesco costituisce uno straordinario biglietto da visita per Fermo, attraverso l'imponenza del suo abside che si offre al visitatore all'ingresso della città. L'edificio venne costruito a partire dal 1240, quando i frati francescani ottennero in dono dal vescovo Filippo II la chiesa di San Leone, su cui costruire il nuovo tempio. Lo slancio e la tensione verticale di tutto l'edificio, fanno di San Francesco un bellissimo esempio di architettura gotica nelle basse Marche, anche se, a ben vedere, si tratta di una verticalità trattenuta da una struttura poderosa, sicuramente costruita con criteri difensivi, tanto da essere inglobata nelle mura cittadine del 1476. Tale convivenza tra verticalismo gotico e robustezza dell'opera muraria è riscontrabile in tutto l'edificio: le pareti laterali, infatti, propongono un ritmo alternato di lunghi e sottili finestroni trilobati a robusti contrafforti di romanica memoria. Nella parte superiore troviamo la consueta decorazione ad archetti a sesto acuto intrecciati, tipica delle basse Marche. Tale scansione di finestroni e contrafforti si ripete anche nel già citato abside, la cui patente di goticità è certificata dalla forma poligonale che ne accentua lo slancio, ma, allo stesso tempo, la struttura poggia su un poderoso zoccolo scarpato che ne ribadisce il carattere difensivo. Gli oculi, nella parte alta, sono stati inseriti durante una ristrutturazione condotta da Giuseppe Sacconi, nel 1894.
La torre campanaria venne eretta intorno al 1425: di gusto gotico anch'essa riprende il motivo degli archetti intrecciati con l'aggiunta, però, di scodelle policrome in maiolica che vivacizzano ulteriormente la decorazione. Ai quattro lati vi sono grandi bifore dal carattere più quattrocentesco.
La chiesa, durante i secoli, ha subito diverse campagne di ristrutturazione, di cui la più importante fu sicuramente quella susseguente al terremoto del 1703 che vide, in particolar modo, il rifacimento totale del tetto. Pochi anni dopo venne costruita l'attuale facciata in stile classicheggiante: i due ordini, raccordati da eleganti volute, sono scanditi da sobrie lesene che, con i nicchioni della parte inferiore, creano un'interessante alternanza di pieni e vuoti. Il portale, risalente al 1604, mostra invece uno spiccato carattere barocco, con il suo timpano curvo spezzato in più punti.
L'interno, a tre navate divise da slanciati pilastri circolari, con le volte a crociera e l'abside a spicchi, traforato da vetrate, rispetta il complessivo carattere gotico della chiesa. Vi sono custodite importanti testimonianze artistiche. Molto rilevante è la cappella dell'Immacolata Concezione, la quale ospita il monumento funebre del condottiero Ludovico Eufreducci, opera rinascimentale realizzata nel 1527 da Andra Sansovino. Fra gli affreschi si distinguono quelli collocati nella nicchia ogivale vicino alla cappella del Santissimo Sacramento, diviso in tre registri che propongono rispettivamente l’Annunciazione, la Crocifissione e l’Adorazione del Bambino Gesù e la serie di pitture attribuita a Giuliano da Rimini che invece adorna la cappella absidale destra e descrive Le storie della Vergine.