Trasformazione della chiesa medievale di San Francesco in mausoleo celebrativo della casata Malatesta, su commissione di Sigismondo Pandolfo Malatesta. Alberti crea un guscio marmoreo esterno che nasconde l'aspetto gotico della chiesa. La facciata è scandita da quattro semicolonne con capitelli compositi che delimitano tre superfici; i fianchi da arcate a tutto sesto ispirate agli acquedotti romani, ai ponti romani (in particolare il Ponte di Tiberio a Rimini) e al Colosseo. I lavori si interrompono con la morte di Sigismondo (1468) e l'opera rimane incompiuta.
Il Tempio Malatestiano è il primo grande cantiere di Alberti, realizzato da Roma tramite lettere e disegni inviati a Matteo de' Pasti, direttore del cantiere. I rimandi ai monumenti antichi sono continui ma non fedeli: l'Arco di Augusto di Rimini e l'Arco di Costantino a Roma per la facciata; gli acquedotti e il Colosseo per i fianchi. Alberti innalza facciata e fianchi in modo da non essere interrotta se non da una porta di accesso, secondo i principi del De re aedificatoria. La medaglia commemorativa di Matteo de' Pasti documenta il progetto originale che prevedeva anche una grande cupola emisferica.