Costeggiando il fianco est della Basilica, una porta laterale dà  accesso alla grandiosa cripta che si sviluppa al di sotto della chiesa, abbracciandone tutta la superficie. Si entra dapprima un vestibolo che immette nel Sepolcreto della famiglia Petrucci, un vano con colonne in laterizi e volte a crociera, in cui spicca il monumento funebre di Celia Petrucci (morta quindicenne nel 1558), costituito da una grande arca in travertino inserita in una struttura architettonica di stile classico. Scendendo alcuni scalini sulla destra, entriamo nella cripta vera e propria, coperta da ampie volte a botte ribassate e caratterizzata da un orientamento inverso rispetto a quello della chiesa soprastante. Qui si trovano le tombe di illustri famiglie senesi e di artisti quali Francesco di Giorgio Martini e Giacomo Cozzarelli. Sulla parete di fondo era collocato in origine l’affresco di Girolamo di Benvenuto con il Giudizio finale (staccato nel 1910 ed oggi conservato nel Museo del convento), che insieme alle lapidi e alla luce soffusa doveva conferire all'ambiente un'atmosfera di raccoglimento, evocante il mistero della morte.