La facciata presenta due ordini di paraste binate, con le coppie ai lati del portale centrale sostituite da semicolonne. Sulla trabeazione del primo ordine l'iscrizione ricorda il committente (Angelus Caesius, episc[opus] tudertinus fecit anno Dom[ini] MDCV).

Il portale centrale, di dimensioni maggiori dei due laterali, è sormontato, al di sopra della trabeazione del primo ordine, da un timpano centinato, che ospita la statua della "Madonna Vallicelliana". Le iscrizioni al di sopra dei tre portali riportano i due titolari della chiesa, la Madonna e san Gregorio Magno e i versi del biblico Cantico dei Cantici relativi all'Immacolata (tota pulchra es amica mea et macula non est in te).

La navata centrale è coperta da una volta a botte, sostenuta da pilastri con paraste addossate, tra i quali si aprono le arcate verso le navate laterali, dove si affacciano cinque cappelle per parte.

Ai lati della navata centrale, sopra gli archi di passaggio alle navate laterali, e sulla controfacciata, si trovano quindici tele ovali ospitate in cornici dorate, realizzate tra il 1697 e il 1700, che raffigurano la Salvazione del genere umano attraverso episodi dell'Antico e Nuovo Testamento

Sulla controfacciata gli stucchi di Ercole Ferrata rappresentano le allegorie del Disprezzo del mondo e del Silenzio. Gli angeli e i putti in stucco della decorazione della navata laterale, completati nel 1698, furono opera degli stuccatori Giacomo Lavaggi, Bernardino Cametti, Pietro Balestra, Giuseppe Raffaelli e Michele Maglia.

La volta, la cupola con i peducci e l'abside, lasciati inizialmente solo imbiancati per volere dello stesso san Filippo Neri, furono successivamente affrescati da Pietro da Cortona tra il 1647 e il 1666.

Sulla volta l'affresco raffigura la Madonna e san Filippo Neri e si riferisce al celebre episodio della visione avuta dal santo nel 1576 nel corso della costruzione della chiesa: a san Filippo apparve la Madonna che sorreggeva una trave pericolante sopra la cappella nella quale erano conservati, durante i lavori, il Santissimo Sacramento e l'immagine miracolosa della "Madonna Vallicelliana".

Nel catino absidale è raffigurata l' Assunta tra Angeli e Santi, sulla cupola il Trionfo della Trinità (Dio Padre e Cristo sulla cupola e lo Spirito Santo nel lanternino). Sui pennacchi della cupola sono affrescati i profeti biblici Geremia, Ezechiele, Isaia e Daniele.

La chiesa custodisce all'interno molte opere d'arte di importanti artisti come Rubens, Federico Barocci, Domenico Parodi, Cavalier d'Arpino, Domenico Cresti, Scipione Pulzone, Carlo Maratta e molti altri.