La cappella destinata a conservare le reliquie del Miracolo di Bolsena è posta verso la fine della crociera sinistra, entro uno degli arconi rampanti fatti costruire dal Maitani a sostegno delle mura del Duomo che avevano manifestato segni di cedimento. Il ciclo pittorico della cappella fu eseguito tra il 1357 e il 1364 da Ugolino di Prete Ilario e collaboratori. Gli affreschi, recentemente restaurati, rappresentano scene della Bibbia, dell'Eucarestia, della Crocifissione di Gesù. Merita menzione anche una tavola del pittore senese Lippo Memmi datata 1320: si tratta di una Madonna dei Raccomandati. Sul lato sinistro della cappella è posto il reliquiario, che racchiude il corporale del miracolo di Bolsena e alcuni frammenti, ormai ridotti in polvere, dell'ostia. Si tratta di una struttura di oltre un metro, in argento massiccio, in cui sono inserite tante placchette, pure d'argento, con parti dorate e smaltate in cui sono rappresentate 24 storie relative alla vita di Cristo e 8 relative al Corporale. L'opera è merito di Ugolino di Vieri e viene portata in processione per la festività del Corpus Domini dal 1338, anno della sua realizzazione.