Au centre, le Christ se tient dans la rivière, les mains jointes en prière, tandis que Jean-Baptiste verse de l'eau sur sa tête depuis un bol peu profond, tandis qu'une colombe descend au-dessus d'eux, ses ailes faisant écho aux formes des nuages. À gauche, trois anges vêtus de manière variée se tiennent par la main, plutôt que de soutenir les vêtements du Christ, et derrière eux se dresse un grand arbre dont le tronc pâle divise la scène. À droite, un homme en sous-vêtements blancs entre dans l'eau, luttant pour enlever son maillot de corps, tandis qu'un peu plus loin, des figures en robes colorées et en vêtements orientaux se rassemblent sur la berge. Le Baptême du Christ a été commandé pour le Monastère Camaldolese de Sansepolcro, le lieu de naissance de l'artiste, et formait à l'origine le panneau central d'un triptyque.

La symétrie de la composition et les divisions géométriques reflètent la fascination de Piero della Francesca pour la perspective et les mathématiques, caractéristiques de la première Renaissance.