No centro, Cristo está no rio com as mãos unidas em oração, enquanto João Batista derrama água sobre sua cabeça de uma tigela rasa, enquanto uma pomba desce acima deles, suas asas ecoando as formas das nuvens. À esquerda, três anjos com vestimentas variadas seguram as mãos uns dos outros, em vez de apoiar as vestes de Cristo, e atrás deles se ergue uma árvore alta cujo tronco pálido divide a cena. À direita, um homem em cuecas brancas entra na água, lutando para tirar a camiseta, enquanto mais ao fundo, figuras em túnicas coloridas e vestimentas orientais se reúnem na margem do rio. O Batismo de Cristo foi encomendado para o Mosteiro Camaldolense de Sansepolcro, cidade natal do artista, e originalmente formava o painel central de um tríptico.

A simetria da composição e as divisões geométricas refletem a fascinação de Piero della Francesca pela perspectiva e pela matemática, marcas do início do Renascimento.