Alla sacrestia si accede, oltre che dalla chiesa, dal portico del chiostro, in fondo al quale si apre una porta in pietra serena sul cui architrave si legge la scritta "O[MN]IS IN HOC SACRO PRIMI STAT CVRA PARENTIS 1589". Sono noti, tramite la trascrizione di Giuseppe Mazzatinti e di Saturnino López, diversi inventari della sacrestia di Sant'Agostino risalenti al periodo compreso tra il 1341 e il 1382. Gli inventari più recenti e le guide della chiesa ci permettono di stabilire che in sacrestia erano conservate diverse opere d'arte. Nel 1731 sono ivi documentati quattro quadri (San Lorenzo, il Padreterno, San Carlo, la Pentecoste) una tavola con la "Beata Vergine, S. Agostino, S. Monaca" (probabilmente quella inv. n. 5959 ora nel Museo Comunale di Gubbio) (cfr. p. 113 ), "un quadretto [...] antico, ove è dipinta la Madonna SS.ma col figlio in braccio a mano destra", due angeli in legno dorato, ed altre opere, tra cui "un quadro lungo con l'effigie di tre Santi". Poco dopo vengono aggiunti nell'inventario altri dipinti: uno con San Nicola da Tolentino, un altro con "Giuditta col capo d'Oloferne", un altro ancora con la "B.ma V. e S. Antonio, che adora il Bambino". Nel 1784 vi sono portati la pala con il Presepe (ora in chiesa) e quella con la Madonna col Bambino tra i Santi Sebastiano e Rocco (attualmente nei depositi del Museo Comunale)(cfr. p.111). Ai tempi del Lucarelli (1888), oltre alla Madonna e Santi sopraccitata, vi erano lo stendardo attribuito all'Allegrini con la Vergine del Soccorso e la grande croce sagomata.

La sacrestia, a pianta quadrata, è scandita da quattro colonne regolarmente posizionate al centro della sala, che danno luogo ad una tripartizione del vano sia in senso longitudinale sia in senso trasversale, e sulle quali si impostano gli archi a tutto sesto della volta. L'altare, posto al centro della parete di fondo, reca sulla pietra sacrata la data 1584. Due armadi sono addossati alle pareti laterali. Sulla parete destra si aprono due porte, la prima delle quali immette nel coro della chiesa, la seconda dà invece accesso alla zona retrostante all'abside, da dove si può ammirare il finestrone gotico caratterizzato da una cornice "a punta di diamanti". Sulla parete sinistra si apre la porta che conduce al convento. Non sono stati finora rintracciati documenti sull'ultimo rifacimento della sacrestia che comunque, sulla base dei dati stilistici, sembra databile al XIX secolo.