Il nucleo più antico della chiesa viene eretto all'epoca del trasferimento delle spoglie del Santo dalla Sardegna a Pavia, quando i frati dall'eremo agostiniano di Monte Tezio si spostano a Perugia con l'intento di condurre vita attiva nell'ambito cittadino: esso viene concluso entro il XII secolo e corrispondeva al luogo dove più tardi viene realizzato il refettorio.

La Chiesa di Sant'Agostino presenta una facciata gotica a pietre bianche e rosa con portale geminato sempre gotico, mentre nella parte superiore si può notare un rifacimento manieristico del XVI secolo.

L'interno, ad una sola navata, è stato obliterato da un rifacimento neoclassico ottocentesco dal quale si sono salvati alcuni brani originari della chiesa: una cappella sinistra con Crocifissione di Pellino Vannuccio (1377), una cappella del transetto con un ciclo pittorico dedicato a S. Antonio Abate di Allegretto Nuzi e Piero di Puccio (1398). Al Rinascimento risalgono la prima cappella destra di Francesco di Guido da Settignano (XVI sec.) e un affresco anonimo della terza cappella sinistra rappresentante una Madonna in trono con i S. Giuseppe e Girolamo.