La basílica tiene una planta de cruz latina, caracterizada por cinco naves, con ábside y transepto de tres naves.
La nave central está compuesta por columnas monolíticas de granito con capiteles esculpidos de los siglos XI-XII. Por encima se encuentran las tribunas, marcadas por tríforas que discurren también a lo largo del transepto. En la arcada central se levanta la cúpula elíptica pintada al fresco con la Virgen en el trono y santos de Orazio Riminaldi (1627-1628). El techo dorado y tallado con artesonados, que se extiende en la nave central, entre el transepto y el presbiterio, fue obra de Domenico y Bartolomeo Atticciati entre 1596 y 1602.
En las paredes de la nave central se abren catorce vitrales del siglo XV que representan las historias del Antiguo Testamento.
Cerca del pilar del transepto se encuentra el bonito púlpito esculpido de Giovanni Pisano (1302-1310). La estructura es de forma octogonal y se compone de nueve plúteos historiados que representan episodios de la vida de Cristo y de la Virgen y el Juicio Universal, sostenidos por ménsulas con Profetas y Sibilas, por columnas con capiteles tallados y por estatuas que simbolizan las Virtudes de la Iglesia.
En el interior también se puede admirar el gran mosaico del ábside que representa al Cristo Bendiciente con la Virgen y San Juan Evangelista, obra de Francesco Lapo y completado con El Rostro de San Juan, obra de Cimabue en 1302. Entre las obras medievales figuran la Virgen debajo de los órganos, del siglo XIII y atribuida al volterrano Berlinghiero Berlinghieri, la Virgen con el Niño del Maestro de San Torpe, pintada al fresco en el arco triunfal, y el pavimento cosmatesco con taraceas de mármol (mediados del siglo XII).
Numerosos y valiosos son los frescos y las decoraciones de los siglos XVI y XVII colocados en los altares laterales y en el presbiterio.