Quando Leon Battista Alberti prese in carico il progetto, decise di non modificare le strutture murarie precedenti (quelle del periodo gotico), ma di rivestirle di marmi così da conferirgli l’aspetto di un tempio classico. Si possono ancora scorgere le murature gotiche sia in facciata, al centro dell’incompleto frontone, sia sul fianco, all’interno dei grandi archi marmorei.
Il rivestimento esterno si poggia sopra ad uno zoccolo, su cui scorre un fregio continuo su tutti e quattro lati. Il fregio è composto da girali vegetali, e simboli araldici malatestiani, tra cui l’elefante, la rosa, lo scudo e il monogrammo SI.
La facciata è tripartita, con due grandi archi ciechi ai lati, mentre al centro si trova il portale d’ingresso, timpanato, e decorato con marmi cosmateschi. La forma della facciata rimanda all’Arco di Augusto di Rimini. Il primo ordine è concluso da una cornice, con all’interno un’iscrizione latina:  SIGISMVNDVS PANDVLFVS MALATESTA. PANDVLFI. F. V. FECIT. ANNO. GRATIE. MCCCCL. Il secondo ordine, invece, risulta incompleto.
I fianchi si caratterizzano per i fitti archi vuoti, poggianti sopra uno zoccolo, una soluzione forse ispirata dal Ponte di Tiberio.
I lavori si conclusero improvvisamente nel 1460, lasciando la facciata incompiuta. Sappiamo comunque il risultato finale grazie ad una medaglia realizzata da Matteo de’ Pasti, l’esecutore materiale del progetto di Leon Battista Alberti, dove possiamo vedere la chiesa con un fastigio sulla facciata, ed una cupola.