La prima opera  di architettura ad opera di Leon Battista Alberti (1404 – 1472) è la trasformazione, che inizia nel 1447, della chiesa di San Francesco nel tempio dedicato a Sigismondo Malatesta, la cui realizzazione si deve a Matteo de’ Pasti. Il lavoro dell’Alberti riguarda la facciata e un lato. Tutta la struttura del Tempio Malatestiano risente indiscutibilmente di riferimenti al mondo classico, con un arco trionfale sulla facciata e il lato definito da arcate, una architettura articolata fatta di profondità definite e di equilibri tra ombre e luci. Tutti gli elementi, dalle cornici alle colonne  e agli archi, sembrano intersecarsi per avvicinare i fedeli ad uno spazio interno preciso.

Nel legame profondo che si vuol creare tra i volumi e la percezione degli spazi aiuta l’aver fatto poggiare questa architettura su di un podio con lo scopo soprattutto di creare una suggestione visiva che mostra l’opera con una visone prospettica dal basso verso l’alto.  
I sepolcri di Sigismondo e Isotta degli Atti sono all’interno, ma avrebbero dovuto essere collocati nei due archi minori. Data l’importanza che il mausoleo aveva per la famiglia Malatesta, Sigismondo invitò importanti artisti del tempo tra cui Agostino di Duccio che creò gran parte delle decorazioni plastiche, mentre il vano attiguo alla prima cappella a destra  (detta Cella delle reliquie) fu affidato a Piero della Francesca.

Qui si trova conservato il disegno preparatorio per l’affresco dedicato a San Sigismondo re di Borgogna, che si può vedere nella quarta cappella a destra. L’opera, che è del 1451, rappresenta il primo affresco realizzato da Piero. Sull’altare la statua del  Santo è rappresentata seduta su di un trono che si regge su due elefanti, simboli della tradizione araldica della famiglia, con le virtù teologali e cardinali.  Nel tempio si trova anche un crocifisso di legno dipinto da Giotto per la chiesa di San Francesco in occasione del primo Giubileo nel 1300.
Nella Cappella di San Michele è sepolta Isotta degli Atti, terza moglie di Sigismondo, morta nel 1474. Agostino di Duccio decorò la Cappella dei Pianeti, con bassorilievi finemente realizzati che rappresentano pianeti e segni zodiacali. Vi è il segno del Cancro che corrisponde a Sigismondo Malatesta con un bassorilievo della città di Rimini. Sotto le arcate nella parte destra sono collocati i sarcofagi atti ad accogliere i membri della corte dei Malatesta. Nella prima cappella a sinistra, la Cappella della Madonna dell’Acqua, è collocato il sarcofago della famiglia.

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