La basilica ha una pianta a croce latina, caratterizzata da cinque navate, con abside e transetto a tre navate.
La navata centrale è composta da colonne monolitiche in granito con capitelli scolpiti di XI-XII secolo. Al di sopra vi sono i matronei, scanditi da trifore che corrono anche lungo il transetto. Sulla campata centrale si alza la cupola ellittica affrescata con la Vergine in gloria e santi di Orazio Riminaldi (1627-1628). Il soffitto dorato e intagliato a lacunari, che si estende nella navata centrale, nel transetto e nel presbiterio fu eseguito da Domenico e Bartolomeo Atticciati tra il 1596 e il 1602.
Sulle pareti della navata centrale si aprono quattordici vetrate risalenti al XV secolo, raffiguranti le storie dell’Antico Testamento.
In prossimità del pilastro del transetto è collocato il bel pulpito scolpito di Giovanni Pisano (1302-1310). La struttura è di forma ottagonale e composta da nove plutei istoriati raffiguranti episodi della vita di Cristo e della Vergine e il Giudizio Universale, sostenuti da mensole con Profeti e Sibille, da colonne con capitelli intagliati e da statue simboleggianti le Virtù della Chiesa.
All’interno vi si può inoltre ammirare il grande mosaico absidale raffigurante Cristo benedicente con la Vergine e S. Giovanni Evangelista, opera di Francesco, Lapo e completato con il volto di San Giovanni da Cimabue nel 1302. Tra le opere medioevali figurano la duecentesca Madonna di sotto gli organi, attribuita al volterrano Berlinghiero Berlinghieri, la Madonna con Bambino del Maestro di San Torpè affrescata nell'arco trionfale, il pavimento cosmatesco in tarsie marmoree (metà del XII secolo).
Numerosi e pregiati sono gli affreschi e gli arredi cinque- e seicenteschi dislocati sugli altari laterali e nel presbiterio.