La scena del Ritrovamento delle Croci è ambientata in campagna, con numerosi riferimenti alla vita agreste, come il campo di grano biondo in basso a destra, che testimonia la stagione estiva della scena. Tra due colline si apre la maestosa veduta urbana di Arezzo, cinta da solide mura e riconoscibile soprattutto dalla chiesa cattedrale sulla sommità.

In basso si svolge la scena del ritrovamento vero e proprio, con gli operai che scavano una buca (la profondità è suggerita dall'uomo che emerge solo dalla vita in su) e trovano le croci, alla presenza di Elena e di un funzionario nei cui gesti sembra palesarsi il dubbio su quale sia la sacra reliquia di Cristo e quali siano invece le croci dei ladroni.
Nell'uomo col copricapo rosso potrebbe trovarsi un autoritratto di Piero della Francesca.

La regina è raffigurata in entrambe le scene con una veste nera e una corona dorata dalla forma conica assai comune nella pittura toscana. Al centro si trova un personaggio ritratto di spalle con un turbante che sbuca dalla fossa scavata per ritrovare la Croce.
Per Carlo Bertelli il personaggio dell'abito rosso e il copricapo bianco che sembra sovrintendere i lavori sarebbe un autoritratto di Piero.

La scena della Verifica si svolge nella metà inferiore, con un servitore che ha appena resuscitato un uomo dal suo catafalco con la sola imposizione della reliquia. Il giovane è nudo e nella sua figura Piero mise in opera un notevole gioco di luci ed ombre che rendono in maniera perfetta l'anatomia della schiena. La Croce è inclinata in profondità e la linea obliqua che disegna riprende la direttrice prospettica degli edifici, amplificando l'assetto spaziale della scena.

Sulla destra si trovano Elena e il suo seguito, che si sono inginocchiati al compiersi del miracolo. Nel volto dell'imperatrice si coglie anche un'espressione di viva sorpresa, ottenuta dipingendo la bocca dischiusa e gli occhi leggermente sgranati. Il richiamo nella posa alla Regina di Saba dell'affresco opposto pone un parallelismo tra le due donne, consapevoli del valore e della destinazione della Croce ed esercitanti un'influenza positiva nel mutevole destino della reliquia.

Le dame sono più composte, emblematiche del "quieto splendore" che caratterizza gli affreschi. I colori sono accordati a un delicato equilibrio che non esclude contrasti e ritmi "a scacchiera" tra colori chiari e scuri che evidenziano alcuni particolari fondamentali, come le teste.

All'estrema destra si trova un gruppo di passanti con curiosi cappelli di foggia bizantina, che si ritrovano numerose opere d'arte del tempo e derivano dalla visione dei delegati orientali del concilio di Ferrara-Firenze (1438-1439).