Al centro, Cristo si trova nel fiume con le mani unite in preghiera, mentre Giovanni Battista versa acqua sulla sua testa da una ciotola poco profonda, mentre una colomba scende sopra di loro, le sue ali che risuonano le forme delle nuvole. A sinistra, tre angeli in abiti variopinti si tengono per mano, invece di sostenere i vestiti di Cristo, e dietro di loro si erge un albero alto il cui tronco chiaro divide la scena. A destra, un uomo in mutande bianche entra nell'acqua, lottando per togliersi la maglietta, mentre più indietro, figure in tuniche colorate e abiti orientali si radunano sulla riva del fiume. Il Battesimo di Cristo fu commissionato per il Monastero Camaldolense di Sansepolcro, il luogo di nascita dell'artista, e originariamente formava il pannello centrale di un trittico.

La simmetria della composizione e le divisioni geometriche riflettono la fascinazione di Piero della Francesca per la prospettiva e la matematica, tratti distintivi del Rinascimento iniziale.