L'interno ha tre navate con archi a tutto sesto, un transetto poco sporgente, ed è dotato di tre cappelle absidali terminali. La sua architettura, risalente al rifacimento dei frati francescani iniziato nel 1250 circa e rivestita in gran parte con decorazioni barocche, è quella tipica del gotico romano, con una rivisitazione in chiave duecentesca degli schemi e stilemi classici. Il soffitto ligneo a cassettoni è del XVI secolo, il pavimento cosmatesco, conservato salvo gli inserti di lastre tombali, del XIII secolo.

Sono molti i tesori presenti nella chiesa. In controfacciata, alla sinistra del portale principale, è esposto il monumento funebre del Cardinale Ludovico d'Albret, bella opera di Andrea Bregno del 1465. Ancora a sinistra è stato appoggiata alla parete la lastra tombale dedicata a Giovanni Crivelli, arcidiacono di Aquileia, originariamente posta sul pavimento, scolpita da Donatello nel 1433.

Più avanti, addossato alla quarta colonna di sinistra, è presente un altare con la Madonna col Bambino e dedicante detta popolarmente Madonna del Rifugio (scuola viterbese del XV secolo); di fronte, simmetricamente, un altro altare a san Giacomo della Marca (molto meno frequentato). Più avanti, dietro le ultime colonne destra e sinistra della navata principale, sono conservati due bellissimi pergami cosmateschi risalenti all'inizio del XIII secolo e attribuiti ai Cosmati Lorenzo di Cosma e al figlio Jacopo.

La chiesa era ed è famosa per il "Santo Bambino", scultura in legno del bambin Gesù intagliata nel XV secolo con il legno d'olivo del Giardino dei Getsemani e ricoperta di preziosi ex voto. Secondo la credenza popolare era dotata di poteri miracolosi e i fedeli vi si recavano per chiedere la grazia per un male o una disgrazia. La statua, trafugata a febbraio del 1994, non è stata più ritrovata. Al suo posto c'è ora una copia, alla quale non mancano nuovi ex voto.