La ruptura que significó este proyecto con las formas populares en las que el mudejarismo y un ingenuo barroco se sobreponían hizo que un historiador como Santiago Sebastian calificase esta obra como introductora del "neoclasicismo" en la región. La arquitectura de la Iglesia de San Francisco se nutre de las mismas fuentes de las que bebe fray Domingo de Petrés para proyectos como la Catedral de Bogotá o la de Santafé de Antioquia, en lo que podría considerarse una búsqueda de un control racional de la forma a partir del desarrollo de los principios compositivos de Vignola. Realmente pocos son los ejemplos iberoamericanos de esta época en que se pueda hablar verdaderamente de neoclasicismo, al menos en relación con los modelos académicos franceses, no obstante el proyecto modernizador de los Borbones traducido en la fundación de las Academias de Bellas Artes tanto en el viejo mundo como en el nuevo.

El proyecto de Pérez de Arroyo está compuesto por tres calles que corresponden en el interior con las tres naves de la iglesia. Estas están definidas por pilastras pareadas de dimensiones y disposición homogénea y solo sutilmente la calle central es más amplia; el edificio se divide a su vez en dos cuerpos, el bajo definido completamente por una cornisa y un acroterio, recibe en la parte central un segundo cuerpo rematado en un frontis que corresponde a la nave central de la iglesia; las columnas continúan su desarrollo en el acroterio en el caso de los dos pares laterales los que se rematan en pináculos mientras al centro los dos pares centrales continuan recibiendo el frontis triangular. Este cuerpo superior se articula con el parapeto del cuerpo bajo con una voluta a manera de ménsula acostada, solución de articulación común en los seguidores del Vignola. En medio de las pilastras dóricas que compartimentan el plano principal se disponen los vanos y entre los pares de columnas centrales se ubicaron hornacinas para alojar estatuas asociadas al culto religioso.

El edificio construido por el franciscano fray Pedro de Herrera, primer rector del Colegio de Santa Librada y también protagonista importante del proceso independentista local. En esta obra el ladrillo alcanza su mayor complejidad y su más alto grado de elaboración en toda la región (tal como se observa hoy y no obstante haber sido construida para ser recubierta con repello de cal) .

La nave principal de la Iglesia esta conformado por una bóveda de cañón levantada en ladrillo con arcos de refuerzo del mismo material en correspondencia en los pilares que dividen las naves, el empuje de esta bóveda es contrarrestado por sólidos contrafuertes, entre los cuales en un nivel inferior se localizan las bóvedas vaidas también en ladrillo que conforman las naves menores. Sobresaliente obra de mampostería es la de la sacristía con sus bóvedas y cúpulas, así como la capilla lateral al altar. El terremoto de 1885 produjo graves daños en la bóveda central y en 1925 la cúpula debió ser restaurada por Borrero y Ospina quienes la reforzaron con hierro y concreto. Posterior a esta intervención es la decoración de las bóvedas con pinturas de Mauricio Ramelli sobre la vida de San Francisco de Asis de muy buena factura y ejemplo de la ornamentación «republicana».

Para la celebración de los 450 años de Cali fué demolido el edificio contiguo al testero, liberándolo y permitiendo ver la magnífica obra de fábrica del edificio. La no culminación de la edificación que lo sustituyó y que genera una especie de patio-plazoleta disminuye las posibilidades del disfrute ciudadano de este bien patrimonial, por lo que urge su terminación.

Su área de influencia comprende la manzana (con el convento de San Joaquín, la Inmaculada y Torre Mudéjar) y la Calle 11, donde debe buscarse la configuración de un plano continuo y homogéneo que no supere la altura de los planos exteriores de la nave del crucero de la Iglesia.