La grandissime dimensioni della basilica si riflettono all’interno, dove alti pilastri fasciati in cotto scandiscono lo spazio in tre ampie navate. Nelle navate laterali si aprono 22 cappelle, alcune di elevato interesse artistiche, come la Cappella Bolognini affrescata da Giovanni da Modena, o con importanti dipinti quali il San Rocco del Parmigianino.

A fianco dell’altare, si trova il commovente Compianto su Cristo Morto, uno dei migliori gruppi scultorei del secondo ‘400 bolognese, opera di Vincenzo Onofri.

La tribuna a copertura dell’altare è opera del Vignola, realizzata nel 1548, e conclude mirabilmente la visione prospettica dall’ingresso della basilica.

Elementi degni di nota sono il più antico organo ancora funzionante, le cui note risuonano nell’aula dal 1475, e la meridiana dell’astronomo Gian Domenico Cassini, corrente per quasi due terzi dell’intero pavimento.