L'interno, al contrario, ha subìto ben poche modifiche. Testimoniano questo le pareti e i pilastri completamente affrescati. Affreschi che hanno purtroppo subìto il peso dei secoli: diversi sono ancora ben "leggibili", altri meno, qualcuno praticamente scomparso. Questi dipinti sono una particolarità della Pieve di Sietina e chiunque visiti la chiesa la ricorderà principalmente per questo aspetto artistico. Tra tutti questi affreschi realizzati nel corso di vari secoli si possono distinguere due gruppi di pitture appartenenti il primo agli anni 1370/80 ed attribuibili ad un anonimo pittore noto come "Maestro di Pieve a Sietina", al secondo gruppo appartengono affreschi databili fine XV ed attribuiti alla mano di un anonimo artista vicino alla scuola di Lorentino ed Angelo D'Andrea. Non esiste precisa documentazione che attesti ciò, ma quasi certamente tutte pitture della chiesa furono commissionate dalla Famiglia Bacci, ricca casata aretina originaria di Santa Margherita in Capolona e poco distante dalla Pieve e proprietaria per secoli della Pieve di Santa Maddalena a Sietina e dei terreni e case circostanti. Questa famiglia si dimostrò più volte "sensibile all'arte". Da ricordare è Baccio di Magio di Baccio che destinò parte della sua eredità al finanziamento per la decorazione della cappella maggiore della Chiesa di San Francesco ad Arezzo. Lavoro inizialmente commissionato a Bicci di Lorenzo e da questi appena iniziato, poi mirabilmente portato a termine da Piero della Francesca. La Pieve di Sietina appare dall'esterno piuttosto bassa, specialmente nelle sue navate laterali. Dall'interno ci apparirà più alta, questo per un'altra particolarità di questo edificio: il pavimento della chiesa è più basso del terreno esterno. Come detto all'inizio, la chiesa si trova nei pressi di Castelluccio, in zona pianeggiante lungo la sponda destra dell'Arno. Non è casuale questa posizione. Va ricordato che in epoca medievale esisteva "la strada delle pievi", un percorso che da Arezzo raggiungeva l'alto Casentino tenendo la destra dell'Arno e toccando tutte le importanti pievi medievali. In pratica si attraversava l'Arno a Ponte Buriano, poi, camminando verso nord parallelamente a fiume s'incontrava dopo qualche chilometro Sietina, quindi la Pieve di Socana, prima di Poppi la Pieve di Buiano, poi la Pieve di San Martino a Vado a Strada, per ultimo Romena. Chi avesse continuato poi verso Firenze avrebbe incontrato anche la Pieve di Montemignaio.

Il campanile a vela, posto sulla facciata, è opera moderna. L'interno è completamente rivestito di affreschi. Databili al 1370-1380 sono quelli sopra l'arcata destra del presbiterio. Al 1370 è da riferire l'affresco con Madonna in trono insieme al Bambino con Santa Maria Maddalena e Santa Caterina inginocchiate. Alla fine del XV secolo risale il gruppo con Madonna in trono, Annunciazione, Martirio di Sant'Agata.