Tracce della costruzione primitiva si possono notare solo sul basamento della facciata che, eseguita a conci di marmo bianco con quadriboli intarsiati di marmo verde, presenta tracce romaniche. Cosi la facciata, per metà romanica e per l’altra metà settecentesca, è sormontata da quattro busti in pietra raffiguranti i Santi Agostino, Tommaso da Villanova, Nicola e Monica. Lungo le navate laterali ci sono cinque altari, mentre due cappelle si aprono nella navata destra e due ai lati del coro.

La chiesa, insieme a quella di S. Francesco, ha rappresentato l’edificio deputato a raccogliere le sepolture delle famiglie nobili volterrane più insigni, presenta dieci altari. L’altare maggiore, eretto nel 1751, e quello del Santissimo Crocifisso sono in marmo, mentre gli altri sei sono in pietra e due in stucco. La chiesa è fornita anche di due organi: uno del 1600 di scuola cortonese e uno, più piccolo, del 1834.
L’attiguo convento con chiostro è ascrivibile al XIV-XV secolo, anche se ha subito numerose e profonde ristrutturazioni nel corso dei secoli. L’ex-convento è un imponente complesso, con forma assimilabile ad un rettangolo, di notevole pregio, sia da un punto di vista urbanistico, che architettonico.

All’interno della chiesa, a destra entrando, subito accanto alla porta, un sepolcro in marmo di Alessandro Riccobaldi del Bava, canonico della cattedrale e vicario generale del vescovo Francesco della Rovere, morto nel 1523. Come i Riccobaldi, altre illustri casate volterrane scelsero la chiesa di S. Agostino come luogo di sepoltura. Particolare menzione merita il sepolcro della famiglia Falconcini, la cui cappella è la seconda della navata di destra. Il pavimento in marmo con, al centro, il grande stemma della casata presenta sull’altare il Crocifisso detto di S. Pierino, dipinto su tavola sagomata a forma di croce, che si crede opera del XIII secolo di scuola greco-bizantina. Sotto il pavimento marmoreo si erge il sepolcro gentilizio dei patroni Falconcini.

Dopo quello del Falconcini, l’altare che incontriamo procedendo verso l’altare maggiore, presenta un tabernacolo che si apre in mezzo a figure di santi in altorilievo di stucco bianco e che contiene la “Madonna della consolazione”, un affresco del secolo. È il terzo altare che si trova a destra entrando e le figure dell’altorilievo rappresentano S. Agostino, S. Monica e S. Nicola da Tolentino. La cappella più grande è detta della Madonna delle Grazie. L’altare fu voluto dal Conte Giuseppe Maria Felicini nel 1703, il quale, detenuto a vita nel Mastio, dopo oltre quarant’anni, vi morì nel novembre del 1715.

Davanti ad uno spazioso coro, con antichi stalli e inginocchiatoi, sorge l’altare maggiore, con un crocifisso di legno e, ai lati, due candelabri di alabastro, opera del 1600. Di seguito, sul presbiterio della cappella attigua, si conservano, sopra l’altare, in un urna di legno dorata, le reliquie dei S. Innocenti, di S. Pietro e S. Paolo ed altri santi.
Merita particolare menzione la Cappella di S. Caterina d’Alessandria, oggi dei SS. Innocenti, perché, in essa, annualmente veniva celebrata una festa. La santa era particolarmente venerata dagli scolari volterrani delle scuole superiori che, nel giorno dedicato ad essa, il 25 novembre, si riunivano nella chiesa di S. Agostino.
Nella cappella a sinistra dell’altare maggiore è presente l’altare delle Spine. Il quadro presenta, in alto, due puttini che sostengono le cortine di un tabernacolo dove, in un ricco reliquario d’argento, donato dalla Granduchessa Cristina di Lorena a Volterra, sono collocate le tre spine della corona di Gesù Cristo. Nel pilastro dell’arco del Coro, al lato dell’Epistola, è incassato un antico ciborio di marmo bianco con pilastri lavorati scannellati e un fregio superiore senza frontone: ai lati della piccola porta, due per ogni lato, stanno quattro figure di angeli adoranti e, al di sopra, Cristo in Pietà. Oggi serve da tabernacolo per l’olio santo. E nel coro si trova, come in S. Francesco, l’altro esempio di organo del Seicento di scuola cortonese, opera del XVII secolo.

Scendendo dal presbiterio e dirimpetto alla Cappella della Madonna delle Grazie si apre la sacrestia, ricca di preziosi indumenti sacerdotali, di bellissimi banchi seicenteschi e di quadri del Seicento.
Scendendo dall’altare maggiore incontriamo l’altare eretto nel 1614 da Padre Mario Giovannelli, autore della Cronistoria di Volterra. Dopo un altro altare con il quadro del Franceschini, vi è un’altra epigrafe a forma di stemma con la scritta illeggibile e una figura per metà animale.
E all’ultimo altare troviamo un altro quadro rappresentante il “Transito di S. Nicola da Tolentino”, opera di Giuseppe Fabbrini. Sotto la predella di questo altare c’è la sepoltura di Giusto Turazza benemerito cittadino volterrano, morto nel 1553 e fondatore del Pio Istituto dei Buonomini, apparteneva alla famiglia originaria del territorio di Pomarance. Venuti a Volterra, nei primi anni del secolo XV, i Turazza, già in condizioni economiche fiorenti, si arricchirono ancor di più con il commercio.