Nella quarta campata della navata di sinistra, si trova una cantoria poggiante su mensole in pietra serena, opera giovanile di Giorgio Vasari; al di sopra di essa, vi è l’antico organo a canne, costruito tra il 1534 e il 1536 da Luca di Bernardino da Cortona.

Luca di Bernardino è il capostipite di una famiglia cortonese di organari, i Romani, alla quale una raccolta di documenti attribuisce la costruzione, in poco più di un secolo, di 52 organi, disseminati in quasi tutta la Toscana.
L’organo, modificato da Franci nel 1658 e da Paoli nel 1846, nel 1946 venne collegato elettricamente ad un corpo corale costruito da Tamburini (opus 264), così da formare un unico strumento di 14 registri; negli anni 1990 è stato restaurato e riportato alle sue caratteristiche foniche originarie dal Dott. Pier Paolo Donati e il Gabinetto Restauro Organi di Firenze.

Lo strumento è racchiuso entro una cassa monumentale in legno scolpito e dorato, in stile rinascimentale; la mostra si articola in diverse cuspidi di canne di Principale, ciascuna all’interno di un proprio campo. Il sistema di trasmissione è integralmente meccanico; la consolle, a finestra, ha un’unica tastiera di 62 note (Do-1-La4, senza le note Do#-1 Sol#4 e con i tasti spezzati per La♭1, La♭2, La♭3 e Re#2, Re#3 e Re#4) ed una pedaliera a leggio di 12 note (Do-1-Do1, senza la nota Do#-1) costantemente unita al manuale; i registri sono azionati da manette a scorrimento laterale poste alla destra del manuale.