Prezioso episodio del barocco estense, la chiesa sorge sul piazzale della Rosa, già avancorte del Palazzo Ducale; appartiene al complesso del Palazzo stesso, al quale è collegata da un corridoio pensile segreto. Costruita su progetto dell'Avanzini dal 1650 al '53, la chiesa è impostata con pianta ad aula coperta a volta a botte su cui si affacciano due grandi e poco profonde cappelle laterali, affiancate da altre quattro più piccole su cui si trovano le cantorie.

È qualificata dalla superba decorazione ad affresco di Gian Giacomo Monti e Baldassarre Bianchi, del 1651: colonnati, balaustrate, loggiati, cornicioni dipinti moltiplicano vertiginosamente le soluzioni architettoniche, enfatizzate da tendaggi, parati, festoni, figure allegoriche; al centro della volta, L'apoteosi di San Francesco dipinta da Jean Boulanger.

Sull'altare maggiore s'innalza la pala di Michele Desubleo con L'estasi di San Francesco, del 1654. Suggestiva espressione dell'arte barocca è la cappella di destra, che custodisce il Crocefisso detto Santissimo Tronco: venerata reliquia, che si dice portata dalla Turchia durante le crociate dai Pio di Savoia, è solitamente celata da un velario dipinto con Gloria d'angeli che si solleva scenograficamente per mostrare un seicentesco apparato con la statua della Maddalena inginocchiata ai piedi della croce e due angeli che raccolgono le stille di sangue del Cristo. Seguendo una tradizione secolare, il Crocefisso è portato in processione nelle vie del centro storico la sera del Giovedì Santo.