Testimonianza della magnificenza malatestiana, fu Sigismondo Pandolfo Malatesta ad ordinare i lavori per la trasformazione dell'antica chiesa romanico-gotica di S. Francesco in un monumento grandioso e splendido in sintonia con la nuova cultura rinascimentale che aveva nell'Alberti uno dei suoi massimi esponenti ed interpreti. I lavori del tempio, innalzato al "Dio immortale e alla città" ma anche all'amore di Sigismondo per Isotta, ebbero inizio nel 1450.
L'esterno è opera del grande genio Leon Battista Alberti e presenta una maestosa facciata (incompiuta nella parte alta) ispirata alle forme dell'arco trionfale romano.
L'intera costruzione poggia su di un alto basamento in pietra d'Istria, incorniciato da cordoni tratti dalla base dell'Arco d'Augusto e decorato con uno stupendo fregio a basso rilievo composto da ghirlande (caratteristica di tutto l'ornamentale malatestiano) legate con il fiore di Isotta.
Le ghirlande contengono ed alternano quattro tipi di scudi malatestiani: l'elefante, la "I" e la "S" intrecciate (sigla di Sigismondo e di Isotta), la doppia fascia a scacchi e il fiore di Isotta.
Sui fianchi si aprono sette arcate suddivise da pilastri: quelle di destra ospitano i sarcofagi di eminenti personaggi della corte malatestiana, mentre quelle di sinistra sono rimaste vuote.
Il rinnovamento dell'interno venne invece affidato a Matteo de' Pasti, il cui stile legato ancora a forme goticizzanti, porta ad un evidente contrasto architettonico con l'esterno (ispirato a forme classiche rinascimentali).
L'interno, ad una sola navata, si presenta con ampie arcate a sesto acuto con vivaci decorazioni ed è caratterizzato da sei cappelle laterali, chiuse da transenne in marmo.
Tra queste, di notevole interesse artistico ricordiamo "La Cappella dei Pianeti"; così detta per le raffigurazioni a bassorilievo dei pianeti e dei segni zodiacali ad essi corrispondenti. Sotto il segno del cancro (segno zodiacale di Sigismondo) si può ammirare una veduta di Rimini all'epoca malatestiana (la più antica immagine della città giunta a noi).
"La Cappella degli antenati" ospita invece l'opera di grande valore artistico di Agostino di Duccio: "L'Arca degli antenati e dei discendenti" in cui Sigismondo volle fossero riunite le spoglie dei suoi antenati e dei posteri discendenti dalla casata.
Altri bassorilievi di notevole pregio e raffinatezza si possono ammirare nella "Cappella di S. Michele" detta degli angeli musicanti, sempre attribuibili al di Duccio.
Infine una curiosità: nella cappella di San Sigismondo, sui pilastri sono state scolpite le virtù teologali e cardinali, tra le quali manca però, e se ne ignora il motivo, quella della giustizia.
Nel Tempio si possono ammirare il crocifisso di Giotto, dipinto su tavola nel 1312; un affresco di Piero della Francesca in cui è raffigurato Sigismondo inginocchiato ai piedi di San Sigismondo.
Quando nel 1460, lo stesso Sigismondo, in gravi difficoltà politiche per i suoi contrasti con il Papa, non ebbe più i mezzi economici per completare l'ambiziosa costruzione, questa fu interrotta; il tempio rimase così privo della sua copertura che, nel progetto di Leon Battista Alberti, era a cupola. La scomunica papale del 1462 fece cadere Sigismondo in disgrazia; da allora il tempio rimase incompiuto.

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