L’interno è una pianta a croce latina, a tre navate. La zona presbiteriale si presenta rialzata, con cripta sottostante, mentre la chiesa è conclusa da tre absidi, di cui la maggiore più grande delle altre. Le dimensioni sono ragguardevoli per una chiesa romanica: 72,21 metri di lunghezza, 61,40 di larghezza e ben 38 metri di altezza. Per sostenere una chiesa di tali misure, fu necessario innalzare colonne gigantesche, che danno alla struttura un aspetto solido e possente. Furono i Paratici, ovvero le corporazioni cittadini, a sostenere l’ingente costi di tali colonne, e che ottennero il permesso di applicare una formella a proprio prestigio sulla colonna finanziata.
Nella cappella del lato sinistro del transetto, si trova una vasca battesimale risalente al IV-V secolo d.c., di 295x157 centimetri.
La cripta, altomedievale, si caratterizza per la presenza di 106 piccole colonne, con capitelli ricchi di decorazioni scultoree con figure zoomorfe e fantasiose.
Per quel che riguarda le opere di pittura, spiccano sicuramente gli affreschi di Camillo Procaccini e Ludovico Carracci nell’abside, artisti protagonisti della rivoluzione classicista avviata nella cerchia di Annibale Carracci, fratello di Ludovico. La cupola, invece, è un capolavoro del Guercino.