L’interno è a pianta basilicale a tre navate, con numerose cappelle per lato. Vi si trovano conservati molti dipinti del XVI e XVII secolo, oltre che ad arredi contemporanei, frutto di un recente restauro e riallestimento. L’attuale aspetto risale al 1599, quando fu adeguata al gusto dell’epoca da Cosimo Pugliani, mentre gli affreschi che ornano la cupola sono di Francesco Fontanesi (1779).
Lungo il fianco sinistro, nella prima cappella si trova il monumento funebre di Prospero Sagari, opera di Francesco Pacchioni (1588), oltre ai reliquiari dei Santi Grisante e Daria di Bartolomeo Spani (1533-38). La quarta cappella, nota come Cappella Fiordibelli, ospita un’elaborata decorazione in stucco di Paolo Emilio Besenzi (1634), oltre che la tela del Guercino L’Assunzione della Vergine con san Pietro e san Girolamo (1626) posta sull’altare. La cappella del transetto sinistro, invece, vi è la tela di Orazio Talami con Gesù scaccia i mercanti dal tempio (1682). Chiude il lato sinistro la cappella del SS. Sacramento con le quattro figure in stucco (Noè, Mosè, Abramo, San Giovanni) del Besenzi (1645), oltre al Mausoleo di Bonifacio Arlotti di Bartolomeo Spani (1508).
Il lato destro, invece, vede nella terza cappella la presenza del monumento funebre di Valerio Malaguzzi, zio dell’Ariosto, opera di Bartolomeo Spani (1510-15). La quarta cappella, detto Cappella Toschi, vi è una Visitazione della Vergine a Sant’Elisabetta del Cavalier d’Arpino (1608), e un’Annunciazione del Passignano. Nel transetto si può vedere La cacciata di Eliodoro di Orazio Talami (1686), e il fianco è concluso dalla cappella Rangone, col monumento funebre del vescovo Ugo Rangone di Prospero Sogari detto il Clemente (1561-66).
Il coro intagliato risale, invece, al XV secolo.
La cripta risale al XII-XIII secolo, e vi sono ben 42 sottili colonne che sostengono la volta a crociera, con capitelli del XV secolo. Nella centrale delle tre cappelle si trova il sepolcro dei santi Crisante e Daria, morti nel V secolo, e patroni della città. I due corpi sono stati oggetto di una indagine scientifica recente, la quale ha stabilito che i resti appartengono veramente a due persone, un maschio e una femmina, vissute in tarda età imperiale.
L’allestimento contemporaneo risale, invece, al 2010. L’altare maggiore, opera di Claudio Carpeggiani, è un unione di due blocchi di marmo semilavorati di epoca romana, che nella concezione dell’artista è l’unione dei due aspetti della Passione: il Cenacolo ed il Calvario. A questo si aggiunge il candelabro pasquale di Ettore Spalletti, una colonna in marmo tagliata in verticale, su cui è apposta della foglia d’oro. Di Hidetoshi Nagasawa, invece, sono gli interventi sull’ambone, ovvero il supporto all’evangelario, una rilettura della figura dell’aquila, e la scala in marmo di Carrara che permette di salirvi, i cui contorni seghettati rappresentano la forma di una stella. L’insieme era completato dalla Seduta vescovile di Jannis Kounellis, una sedia in ferro, simbolo di stabilita, attorniata da due sedute minori e montata su una pedana, smontata nel 2012 per questioni di spazio.