En el centro, Cristo se encuentra en el río con las manos unidas en oración, mientras Juan Bautista vierte agua sobre su cabeza desde un cuenco poco profundo, mientras una paloma desciende sobre ellos, con sus alas resonando las formas de las nubes. A la izquierda, tres ángeles con vestimentas variadas se toman de las manos, en lugar de sostener las vestiduras de Cristo, y detrás de ellos se eleva un árbol alto cuyo tronco pálido divide la escena. A la derecha, un hombre en calzoncillos blancos entra en el agua, luchando por quitarse la camiseta, mientras más atrás, figuras con túnicas coloridas y vestimenta oriental se reúnen en la orilla del río. El Bautismo de Cristo fue encargado para el Monasterio Camaldolense de Sansepolcro, lugar de nacimiento del artista, y originalmente formaba el panel central de un tríptico.

La simetría de la composición y las divisiones geométricas reflejan la fascinación de Piero della Francesca por la perspectiva y las matemáticas, características del Renacimiento temprano.