L'interno della chiesa è frutto dei restauri del XVI secolo ad opera di Antonio da Sangallo il Vecchio e si presenta in stile rinascimentale, con pianta a croce latina.
Il piedicroce è diviso in tre navate da archi a tutto sesto poggianti su colonne tuscaniche. La navata centrale è coperta con volta a botte lunettata ed è priva di scansione in campate; invece, ciascuna delle due navate laterali, è composta da sette campate coperte con volta a botte trasversale e divise da archi a tutto sesto a ridosso dei quali si appoggiano le colonne. Oltre il transetto, in corrispondenza della navata centrale, si trova l'abside quadrangolare, con volta a padiglione e stalli lignei del coro. Alla sua destra vi è la cappella Bertini, con apparato decorativo marmoreo e volta con stucchi.
All'interno, la quattrocentesca Madonna col Bambino di Taddeo di Bartolo, la Deposizione e santi di Ridolfo del Ghirlandaio (1519), il Martirio di santa Caterina d'Alessandria di Giovan Battista Pozzo, una Pietà e santi del Cigoli, l'edicola in marmo di Baccio da Montelupo, che contiene un affresco quattrocentesco con la Madonna in trono.