La chiesa è abbellita da capolavori di eminenti artisti del XVI e XVII secolo. La prima cappella a destra contiene la Flagellazione e la Trasfigurazione di Sebastiano del Piombo. La seconda cappella ha un affresco attribuito al Pomarancio, alcuni affreschi della scuola del Pinturicchio e una sibilla allegorica attribuita a Baldassarre Peruzzi. La cappella del Monte e quella precedente contengono affreschi di Giorgio Vasari.

L'altare maggiore è attribuito a Giulio Mazzoni, mentre i monumenti funerari del Cardinale del Monte e di Roberto Nobili sono di Bartolomeo Ammannati. Da notare la lapide del cardinale Fulvio Giulio della Corgna, nipote di Giulio III, i cui genitori riposano nella cappella. Sotto l'altar maggiore erano tumulate le spoglie di Beatrice Cenci, finché la tomba non fu profanata da francesi nel 1798.

Fino al 1797, la Trasfigurazione di Raffaello era collocata sull'altare maggiore. Sottratta dai francesi nel 1797, e successivamente restituita nel 1816, passò alla Pinacoteca vaticana e fu sostituita da una copia della Crocifissione di San Pietro di Guido Reni realizzata da Vincenzo Camuccini. La seconda cappella sulla sinistra, la Cappella Raimondi (1640), fu disegnata dal Bernini.