L'interno della chiesa è a tre navate, divise da colonne romane e bizantine. Il prezioso pavimento di marmo in opus sectile risale a varie epoche (dal VI al XII secolo) e presenta animali mostruosi, motivi geometrici, elementi vegetali e figurativi. Tra le allegorie il leone simboleggia la resurrezione di Cristo, il drago il male che è sempre sconfitto, il cervo è Cristo, gli uccelli con ali a riposo raffigurano la condizione umana, ecc.

Sulle pareti affreschi trecenteschi di scuola bolognese, con storie dell'Antico Testamento, del Nuovo Testamento e dell'Apocalisse eseguiti rispettivamente sulla fascia superiore, mediana ed inferiore (oltre a San Giovanni nell'estasi di Patmos, tra le immagini dell'Apocalisse: L'Agnello; il tetramorfo; i quattro cavalieri; Dio con il libro dai sette sigilli; i ventiquattro vegliardi; l'arcangelo Michele contro il demonio; la bestia dalle sette teste; l'idra che minaccia la Chiesa raffigurata come una figura femminile sicura poiché domina il tempo, cioè la luna posta ai suoi piedi, ecc.).

Sulla controfacciata, una rappresentazione del Giudizio Universale (in basso a destra, guardando l'uscita: i diavoli che attuano crudeli supplizi, i dannati, Lucifero con le fauci. Dalla parte opposta un angelo conduce verso Cristo i beati nei quali ci sono vescovi e abati, ed i patriarchi della Chiesa accolgono le anime del Limbo verso la beatitudine). Il Cristo Giudice sta entro una mandorla mentre sulla fascia superiore c'è il Cristo benedicente tra schiere di angeli e beati: tale immagine allude al trionfo della Chiesa (la Gerusalemme celeste dell'angolo a sinistra) sempre fondato sul sacrificio divino (gli strumenti della passione a destra).

Nell'abside affreschi di Vitale da Bologna, raffiguranti Cristo in maestà con angeli e santi, e, sotto, Evangelisti con i rispettivi simboli, Dottori della Chiesa (sulla destra) e Storie di Sant'Eustachio con la sua conversione e martirio (in basso a destra il santo è martirizzato, dentro un bue di bronzo arroventato). Il Cristo in maestà entro la mandorla è in atto benedicente e tiene nella mano sinistra il libro con le parole "pacem meam do vobis". A destra del Redentore è raffigurata, con un preziosissimo abito ricamato in oro, la Vergine Maria che presenta l'abate committente Andrea mentre con la mano sinistra regge il cartiglio con la scritta "tuam fili clementiam", raccomandazione per la comunità di Pomposa e per l'umanità. Accanto a Lei il santo benedettino è Guido, mentre in primo piano stanno le sante Caterina, Orsola, Elena e Maddalena. Nel registro sottostante negli spazi tra le finestre stanno San Martino di Tours e san Giovanni Battista. Nei dieci tondi del sottarco sono i profeti, divisi al centro da un angelo che reca un cartiglio con la scritta "Beati oculi qui vident quae vos videtis" ("Beati gli occhi che vedono le cose che vedete"), con riferimento alla visione celeste della gloria di Dio.

Restano la sala capitolare ornata di affreschi degli inizi del XIV secolo di un diretto scolaro di Giotto; il refettorio che ha sulla parete di fondo il più prezioso ciclo di affreschi dell'abbazia attribuito a un maestro riminese forse il Maestro di Tolentino. Nel refettorio sulla parete est affresco con al centro la Deesis (Cristo tra la Vergine, San Giovanni, San Benedetto, San Guido), a sinistra l'Ultima cena, a destra il miracolo di San Guido (l'abate Guido Strambiati). Nell'aula capitolare affreschi con san Benedetto e profeti (parete nord), San Guido e coppie di profeti (parete sud), Crocefissione (parete est). Notevole anche il palazzo della Ragione, luogo dove gli abati di Pomposa amministravano la giustizia.