L’interno, a croce greca, ripete con vigorosa solennità le forme esterne doriche articolando le pareti con semicolonne e pilastri; sui lati corti dei bracci della croce, un sottosistema di archi impostati su pilastri ricavano nella massa muraria profonde nicchie che accolgono gli altari minori. Sopra la trabeazione le volte a botte dei bracci sono caratterizzate da spesse ghiere a cassettoni con rosette. Quattro pennacchi in travertino collegano gli archi con la ghiera del tamburo modulato da lesene ioniche scanalate, intervallate da nicchie e finestre. La cupola è chiusa dall’anello della lanterna. Dietro l’altare maggiore è collocato un grande dossale rnarmoreo di Giannozzo e Lisandro di Pietro Albertini (1584); nelle nicchie San Giovanni Battista, Santa Caterina da Siena, Santa Agnese e San Giorgio di Ottaviano Lazzeri (1617). 

Nel tabernacolo affresco del XIV sec. della Madonna con Bambino e San Francesco ispirato al miracolo da cui prese spunto la costruzione della chiesa. Lunetta affrescata da Angelo Righi (1648), gli affreschi della volta, attribuiti allo Zuccari, rappresentano i quattro Re di Israele, il Transito, l’Assunzione e l’Incoronazione della Vergine. Nella vetrata è rappresentata la Madonna con gli angeli e i Santi ed il peccato originale, l’opera è del Maestro Bono di Michelangelo da Cortona (1568).