L'interno della chiesa. originariamente in stile romanico, è stato trasformato nel 1754 con un rivestimento di stucco in stile barocco che ha ricoperto gli affreschi alle pareti e le colonne, trasformate in pilastri. Conserva l'originaria struttura a tre navate con endonartece e profonda abside con iconostasi e santuario.
Dall'endonartece, dove si trova il battistero, attraverso un portale finemente intarsiato si accede alla cupa navata centrale della chiesa illuminata soltanto dall'ampio rosone della facciata. Lungo la navata laterale destra si aprono la Grotta Ferrata e la Cappella Farnesiana. Quest'ultima è barocca ed è decorata con finissimi affreschi raffiguranti storie di San Nilo, del Domenichino, datati intorno al 1608 e 1610.
All'inizio dell'abside si trova la maestosa iconostasi barocca, voluto nel 1665 dal cardinale Francesco Barberini su disegno e progetto di Gian Lorenzo Bernini e l'esecuzione di Antonio Giorgetti, al cui centro è, in un coro di angeli, è intronizzata la Theotòkos, l'icona della Madre di Dio col Bambino. Dietro l'iconostasi si cela il "Vima" (santuario); dotato di altare quadrato, secondo il rito bizantino, è sormontato da un baldacchino neogotico dipinto da cui pende una colomba d’argento per la custodia del SS. Sacramento.
L'arco trionfale, che divide la navata centrale dal presbiterio, riservato ai monaci, è decorato da un mosaico medioevale (XII secolo). Esso rappresenta la Pentecoste: le figure dei santi Apostoli, riconoscibili dalle scritte in greco, sono schierate su seggi preziosi con al centro il trono vuoto in attesa del Cristo per il Giudizio (etimasia); le figure dei santi, ieratiche e impassibili secondo lo stile bizantino, esprimono il distacco dalle cose terrene; nel trono vuoto al centro è raffigurato un agnello, simbolo del Cristo sacrificato, ai lati gli apostoli Pietro e Andrea, simboli di Roma e Costantinopoli.
Sopra l'arco trionfale, oltre il mosaico, resta parte del ciclo di affreschi medioevali (XII-XIII secolo): è rappresentata la Trinità dentro la "mandorla mistica": Cristo, piccolo di proporzioni, ma di aspetto adulto, tra le braccia del Padre, regge la colomba raggiata dello Spirito Santo; ai lati, due schiere di Angeli dalle ricche tuniche colorate, alle estremità i due profeti Davide ed Isaia. Altri affreschi furono coperti dal soffitto a lacunari nel 1577 e quelli un tempo sulle pareti della navata, dal rifacimento settecentesco (alcuni di essi, staccati, sono nel Museo).
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