Le Calvaire Sainte-Anne est en calcaire sculpté. Il est composé d'un soubassement, d'un piédestal et d'une croix proprement dite formée d'un pilier de section carrée orné de bas-reliefs à motifs végétaux et d'un croisillon sculpté avec le Christ surmonté du titulus sur une face et la Vierge à l'Enfant sur un croissant de lune (mutilée) sur l'autre.

Piédestal

Le piédestal est la partie la plus remarquable de l'ensemble. Il prend la forme d'un édicule avec une niche concave encadrée par deux colonnes corinthiennes cannelées, adossées à des pilastres du même ordre, supportant un entablement à corniche et architrave incomplètes dont le soffite est orné de caissons. La forme de la niche est soulignée par des moulures et des fusarolles que l'on retrouve en archivolte. D'importantes traces de polychromie subsistent sur la face antérieure, et laissent penser que le monument a été peint, peut-être après son remontage au début du 19e siècle.

La frise porte une inscription tirée de la Première Lettre aux Corinthiens (chapitre XV, verset 22) qui court tout autour de l'édicule : SICUT IN ADAM OMNES MORIUNTUR ITA EST IN CHRISTO OMNES VIVIFICABUNTUR ("Comme tous meurent par Adam, tous revivront aussi par le Christ"). Elle annonce une partie du programme iconographique qui associe plusieurs sujets à la Crucifixion et à la Rédemption. La face postérieure présente ainsi un bas-relief avec Adam et Ève tentés par le serpent, accompagné d'un extrait de la Genèse. Les bas-reliefs des faces latérales représentent, du côté gauche, le serpent d'airain avec un extrait de l'Évangile de Jean, et du côté droit, l'agneau mystique avec un extrait de l'Exode.

Dans la niche de la face antérieure, une statue de la Vierge de douleurs est disposée devant un relief figurant les sept épées, selon une iconographie apparue au début du 16e siècle. L’œuvre est un témoignage de la vivacité de la dévotion populaire à Notre-Dame des Douleurs, qui demeure tout au long du 17e siècle. L'auteur des Notes éparses indique que la Vierge de douleurs portait à l'origine sur ses genoux le Christ mort, ce qui est peu probable compte tenu de la taille de la niche. Jean-Paul Machin a d'ailleurs justement noté la rareté de l'iconographie de la Pietà sur les calvaires de l'arrondissement de Vesoul jusqu'à la fin du 16e siècle. Sous la niche, l'inscription tirée des Lamentations de Jérémie (chapitre I, verset 12) complète la mise en scène en interpellant directement les fidèles : VOS OMNES QUI TRANSITIS PER VIAM ATTENITE ET VIDETE SI EST DOLOR SICUT MEUS ("Ô vous tous qui passez sur le chemin, regardez et voyez s'il est une douleur pareille à la douleur que j'endure").

Croix

Sur la base du pilier de la croix proprement dite sont gravées des invocations à la croix, que l'on retrouve notamment dans le Thesaurus paruulorum (Rome, 1557). Sur la face antérieure : CRUX ILLUSTRIS AVE PRELUM QUOD SOLUS IESUS CALCAVIT MVNDI CRIMINA CVNCTA PREMENS ("Salut Croix illustre, pressoir que Jésus seul a foulé, écrasant tous les crimes du monde"). Sur le côté droit : [C]RUX ILLUSTRIS AVE PER QUAM MITISSIMUS AGNUS PROMERUIT LIBRI SOLVERE VINCLA SACRI ("Salut Croix illustre par laquelle le très doux Agneau a mérité de briser les sceaux du Livre sacré"). Sur le côté gauche : CRUX ILLUSTRIS AVE LIGNUM MONSTRATA PER ALTUM IN QUO SUSPENSUS MYSTICUS ANGUIS ERAT ("Salut Croix illustre que désigne le bois élevé sur lequel était pendu le serpent mystique").