L’interno è ad aula unica, con soffitto a capriate lignee, e tre profonde cappelle e una cella per lato. L’impianto rimane quello della chiesa gotica, sebbene le superfici siano ricoperte dei bassorilievi marmorei di Agostino di Duccio: una soluzione voluta dallo stesso Alberti.
Entrando nella chiesa si incontra, sulla destra, la tomba di Sigismondo Malatesta. Proseguendo sul lato destro, le tre cappelle sono, nell’ordine:
    • Cappella di San Sigismondo (1452), con all’interno una statua di San Sigismondo seduto su un trono formato da due elefanti, e pilastri con le virtù Cardinali (Prudenza, Temperanza, Fortezza) e Teologali (Fede, Carità, Speranza)
    • Cella delle reliquie
    • Cappella di San Michele Arcangelo, meglio conosciuta come Cappella di Isotta, poiché ospita la tomba di Isotta degli Atti, moglie di Sigismondo Malatesta.
    • Cappella dei Pianeti, chiamata  così poiché vi sono raffigurati proprio i pianeti e i segni zodiacali.
Sul lato sinistro, invece, troviamo:
    • Cappella degli Antenati, e dedicata alla Madonna dell’acqua. Qui si trovano le ossa di tutti i precedessori di Sigismondo Malatesta. Nella nicchia centrale è presente una Pietà. Sui pilastri figure di Sibille e Profeti.
    • Cella dei caduti
    • Cappella di San Raffaele Arcangelo, nota anche come Cappella dei giochi infantili per la presenza di bassorilievi con figure di putti che giocano. Al suo interno ospita il reliquiario argenteo di San Gaudenzio, patrono della città.
    • Cappella delle arti liberali, oggi dedicata a San Giuseppe, con figure di Muse e Arti nei pilastri. Sulla parete esterna di questa cappella è stato collocato l’affresco con Sigismondo Malatesta in preghiera di Piero della Francesca.