La fonte è caratterizzata da tre ampie arcate gotiche ogivali, attualmente sormontate da merli e una fila di archi ciechi con motivi triangolari. Il frontale è ornato da quattro zampilli leonini con al centro lo stemma di Siena.

All'interno, oltre la vasca di contenimento dell'acqua, si snodano nel sottosuolo di arenaria oltre 25 chilometri di condutture, in parte scavate ed in parte murate denominate "bottini" per la particolare forma delle gallerie con volta a botte alte circa 1,75 m e larghe 0,90 m. Oggi è possibile percorrere a piedi questi cunicoli dove l'acqua piovana, raccolta in un piccolo canale intagliato nel camminamento denominato "gorello" scorre con una inclinazione di un metro per ogni chilometro fino a raggiungere le fonti cittadine dalle sorgenti collocate nella campagna senese. Tali condutture in uso fin dal secolo XII sono state in grado di soddisfare l'approvvigionamento idrico della città raccogliendo le infiltrazioni delle acque piovane fino all'avvento del moderno acquedotto agli inizi del Novecento: oggi riforniscono ancora le fonti pubbliche cittadine.

Uno dei due rami principali dei bottini ed il più antico è quello maestro di Fontebranda, lungo 7,5 km che da Fontebecci e dal ramo di Chiarenna nella zona nord di Siena scorre a notevole profondità. L'altro ramo maestro lungo 15,7 km e più superficiale è quello di Fonte Gaia che alimenta la nota fonte in piazza del Campo e altre poste a quote minori.

Fontebranba era originariamente formata da un susseguirsi di tre vasche di cui la prima era destinata a contenere l'acqua potabile e la seconda, oggi interrata alimentata tramite il trabocco dalla precedente era utilizzata per l'abbeveraggio degli animali e la terza era utilizzata come lavatoio.